بحث حول خصائص القوس الكهربائي وانقطاع التيار في الوحدات الرئيسية الدائرية المعزولة بالغاز الصديق للبيئة

تعتبر وحدات الدائرة الرئيسية المغلقة بالغاز الصديق للبيئة (RMUs) معدات توزيع كهرباء مهمة في الأنظمة الكهربائية، وتتميز بخصائصها الخضراء والصديقة للبيئة والموثوقة للغاية. خلال التشغيل، تؤثر خصائص تكوين القوس وكسره بشكل كبير على سلامة وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة. لذا، فإن البحث العميق حول هذه الجوانب له أهمية كبيرة لضمان التشغيل الآمن والاستقرار في أنظمة الطاقة. يهدف هذا المقال إلى دراسة خصائص تكوين القوس وكسره في وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة من خلال الاختبارات التجريبية وتحليل البيانات، واستكشاف نماذجها وميزاتها، بهدف تقديم الدعم النظري والتوجيه التقني لأبحاث وتطوير مثل هذه المعدات.

1.بحث خصائص تكوين القوس في وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة

1.1 المفاهيم الأساسية والعوامل المؤثرة في الغازات الصديقة للبيئة

تشير الغازات الصديقة للبيئة إلى الغازات التي لا تستنزف طبقة الأوزون. تتضمن الأمثلة الشائعة النيتروجين (N₂)، الهواء المضغوط الجاف (غير محتوي على الزيوت والماء)، والغازات الجديدة المكونة خصيصاً. توفر وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة مزايا مثل صداقتها للبيئة وأمانها وموثوقيتها، وبالتالي فهي مستخدمة على نطاق واسع في أنظمة الطاقة. يتطلب دراسة خصائص تكوين القوس فيها فهم المفاهيم الأساسية والعوامل المؤثرة في الغازات الصديقة للبيئة. 

تؤثر الخصائص الفيزيائية والكيميائية، والبنية الجزيئية، والحرارة، والضغط، والرطوبة، وغيرها من العوامل على أداء العزل وسلوك تكوين القوس لهذه الغازات، والتي يجب دراستها تجريبياً. بالإضافة إلى ذلك، يجب معالجة التحديات العملية مثل حجم استهلاك الغاز وإمكانية إعادة تدويره. لذلك، يعتبر البحث العميق حول المفاهيم الأساسية والعوامل المؤثرة في الغازات الصديقة للبيئة ضرورياً لدراسة خصائص تكوين القوس في وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة.

1.2 أساليب البحث والإعداد التجريبي لخصائص تكوين القوس

يتطلب تحقيق خصائص تكوين القوس إنشاء منهجية اختبار قياسية وإعداد تجريبي. تشمل طرق الاختبار عادة الاختبارات الكهربائية المستندة إلى ظاهرة القوس والتحليل الكيميائي. يجب أن يضمن الإعداد التجريبي التكرار والأمانة والسلامة، ويتألف عادة من مصدر جهد عالي، وغرفة القوس، وأجهزة القياس، ونظام جمع البيانات. تعتبر غرفة القوس عنصراً أساسياً، حيث تقوم بمحاكاة عملية تكوين القوس الفعلية داخل وحدة RMU المغلقة بالغاز الصديق للبيئة. لدراسة خصائص القوس بشكل فعال، يجب أن يقدم الإعداد مستويات مناسبة من الجهد والتيار والسماح بتسجيل معلمات مثل جهد القوس، والتيار، ومدة القوس، والنواتج الثانوية في الوقت الحقيقي. كما يجب تنفيذ تدابير السلامة الكافية لمنع الحوادث أثناء الاختبار.

1.3 الاختبار والتحليل للتيار والجهد ومدة القوس
في دراسات خصائص القوس، تعتبر التيار والجهد ومدة القوس معلمات رئيسية. يشير التيار القوسي إلى مقدار التيار المتدفق عبر منطقة القوس أثناء القوس؛ بينما يشير الجهد القوسي إلى الفرق الكهربائي عبر منطقة القوس؛ أما مدة القوس فهي الفترة الزمنية من بداية القوس حتى انتهائه. يتطلب قياس هذه المعلمات استخدام أجهزة متخصصة مثل مولدات الجهد العالي، ومحوّلات التيار، ومحوّلات الجهد، وأجهزة الرسم البياني الرقمية. يساعد الاختبار التجريبي وجمع البيانات حول هذه المعلمات في وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة، تليها تحليل البيانات، في الكشف عن الاتجاهات والعلاقات، مما يؤدي إلى زيادة فهم خصائص تكوين القوس وتقديم بيانات أساسية لأبحاث أخرى.

1.4 تحليل النواتج الثانوية أثناء القوس
خلال القوس في وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة، يتم إنتاج مجموعة متنوعة من النواتج الثانوية، مثل الأكاسيد والفторيدات والكلوريدات والدخان، والتي قد تمثل خطراً على البيئة والصحة البشرية. حالياً، يتم استخدام طريقتين رئيسيتين لتحليل النواتج الثانوية للقوس: التحليل التجريبي والمحاكاة العددية. يتضمن التحليل التجريبي محاكاة عملية القوس في المختبر، وجمع عينات من النواتج الثانوية، وإجراء تحليل كيميائي لتحديد توزيع الأنواع والتركيزات. يستخدم التحليل العددي نماذج حسابية لتنبؤ بتوزيع النواتج الثانوية وطرق التفاعل.

تستخدم تقنيات تحليلية مثل الكروماتوغرافيا والспектروسكوبيا الكتلة والمجهر الإلكتروني في التحليل التجريبي. في التحليل العددي، يتم استخدام طرق مثل تحليل العناصر المحدودة وديناميكيات السوائل الحسابية (CFD) لنمذجة توزيع النواتج الثانوية وآليات التفاعلات الكيميائية أثناء القوس. تعزز نتائج تحليل النواتج الثانوية فهم التفاعلات الكيميائية وتحويل الطاقة أثناء القوس، مما يوفر الدعم النظري والتوجيه التقني لتصميم وتطبيق وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة، وكذلك بيانات مرجعية لمراقبة البيئة وأمان الموظفين.

2. بحث خصائص انقطاع القوس في وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة

2.1 المفاهيم الأساسية والعوامل المؤثرة في ظاهرة الانقطاع
2.1.1 طرق اختبار الانقطاع
يعتبر اختبار الانقطاع خطوة حاسمة في دراسة خصائص انقطاع وحدات RMUs المغلقة بالغاز الصديق للبيئة. يتم عادة إجراؤه باستخدام الأساليب التجريبية التقليدية أو المحاكاة العددية. تتضمن الأساليب التقليدية بناء منصة اختبار للانقطاع وتغيير شروط الاختبار (مثل التيار والجهد) لمشاهدة سلوك الانقطاع وجمع البيانات التجريبية. بينما يستخدم التحليل العددي نماذج حاسوبية لمحاكاة الظواهر الفيزيائية أثناء الانقطاع، مما يمكن من إنتاج مجموعات بيانات كبيرة بسرعة وتوقع أداء الانقطاع.

2.1.2 إعداد الاختبار
لدراسة خصائص الانقطاع، يجب تصميم وإنشاء إعداد اختبار مخصص للانقطاع. يشمل هذا الإعداد مصدر طاقة عالي الجهد، ومعدات التبديل، وأجهزة القياس. يقوم مصدر الطاقة العالي الجهد بتزويد الطاقة للجهاز المُقاطِع، الذي يقوم بالفعل بعملية الانقطاع الفعلية، بينما تقوم الأجهزة بقياس وتسجيل خصائص الانقطاع.

2.1.3 اختبار وتحليل معلمات خصائص الانقطاع
يتطلب البحث عن خصائص الانقطاع اختبارًا وتحليلًا لمعلمات مثل التيار والجهد والوقت خلال عملية الانقطاع. هذه المعلمات هي مؤشرات رئيسية لتقييم أداء الانقطاع. يصف التيار والجهد السلوك الكهربائي أثناء الانقطاع، بينما يعكس الوقت الديناميكيات الزمنية. تكشف تحليل هذه المعلمات معلومات حاسمة مثل اتجاهات التغير في تيار وجهد الانقطاع، ومدة الانقطاع، والأداء العام.

2.2 طرق البحث وإعداد الاختبار لخصائص الانقطاع
تشمل الطرق الشائعة لدراسة خصائص الانقطاع للمفاتيح الغازية المعزولة صديقة البيئة الاختبارات التقليدية والمحاكاة العددية المتقدمة. تتضمن الاختبارات التقليدية إعداد أجهزة التبديل والأحمال على منصة الاختبار، وتغيير معلمات مصدر الطاقة (الجهد والتيار وما إلى ذلك)، ومشاهدة العمليات العابرة أثناء الانقطاع، وتسجيل معلمات مثل التيار والجهد والوقت لمعالجة البيانات والتحليل. 

مقارنة بالاختبارات التقليدية، توفر المحاكاة العددية دقة أعلى في نمذجة خصائص الانقطاع. باستخدام تقنيات المحاكاة والنمذجة الحاسوبية، تحلل الطرق العددية المجالات الفيزيائية الرئيسية - مثل مجال الكهرباء والمجال المغناطيسي ومجال الحرارة ومجال التدفق - أثناء الانقطاع، مع الأخذ في الاعتبار العديد من العوامل بما في ذلك التيار والجهد ومسافة الأقطاب ودرجة الحرارة المحيطة. بالإضافة إلى ذلك، تسمح المحاكاة العددية بتحسين تصميم RMU من خلال تعديل خصائص المواد والتكوين الهندسي.
بالنسبة لإعداد الاختبار، يمكن أن توفر مصادر الطاقة ذات الجهد المباشر العالي وأجهزة تفريغ كاباسيتور عالية القوة الظروف اللازمة للجهد العالي والتيار العالي. تستخدم أنظمة الاستحواذ السريعة والمحررات لالتقاط معلمات الانقطاع بدقة. لضمان التكرار والدقة، يجب معايرة وإثبات صحة إعداد الاختبار.

2.3 اختبار وتحليل التيار والجهد والوقت للانقطاع
يعد اختبار وتحليل التيار والجهد والوقت للانقطاع جزءًا مهمًا من دراسة خصائص الانقطاع.
(1) هدف الاختبار: فهم خصائص الانقطاع للمفاتيح الغازية المعزولة صديقة البيئة من خلال اختبار وتحليل التيار والجهد والوقت للانقطاع، وتقييم أدائها تحت ظروف التشغيل الفعلية، وتقديم أساس لاستخدام وتحسين المعدات.
(2) معدات الاختبار: تستخدم الأميترات الرقمية، ومتحولات الجهد، وأجهزة قياس الوقت، والosciilloscopes، وأنظمة استحواذ البيانات للتأكد من قياس التيار والجهد والوقت بدقة أثناء الانقطاع.
(3) إجراءات الاختبار:

• اختبار التيار للانقطاع: قم بأداء الانقطاع تحت ظروف الاختبار القياسية، سجل موجات التيار، وتأكد من الاتصال الصحيح بين معدات الاختبار وRMU. قم بقياس تغيرات التيار باستخدام المتحولات الحالية والأميترات الرقمية.

• اختبار الجهد للانقطاع: وبالمثل، قم بأداء الانقطاع تحت ظروف قياسية، سجل موجات الجهد، وقم بقياس تغيرات الجهد باستخدام متحولات الجهد والأوميترات الرقمية.

• اختبار وقت الانقطاع: استخدم أجهزة قياس الوقت لتسجيل فترة زمنية بدقة من بداية إلى نهاية عملية الانقطاع.

• اختبار العملية العابرة: استخدم oscilloscopes وأنظمة استحواذ البيانات لالتقاط موجات التيار والجهد العابرة أثناء الانقطاع لتحليل الخصائص العابرة.

(4) تسجيل البيانات والتحليل: سجل موجات التيار، وموجات الجهد، وبيانات وقت الانقطاع، وموجات العبور. تحليل ما إذا كان تيار الانقطاع يتوافق مع متطلبات الهندسة، وما إذا كان جهد الانقطاع يتوافق مع المواصفات، وما إذا كان وقت الانقطاع يلبي معايير التصميم. تقييم تأثير العمليات العابرة على أداء واستقرار المعدات. من خلال الإجراءات التجريبية المفصلة أعلاه، يتم ضمان جمع البيانات بدقة وتحليل عميق. يتم عرض النتائج في الجدول 1.

الجدول 1: اختبار وتحليل معلمات التيار والجهد والوقت

من خلال تحليل الجدول 1، يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية:

• هناك علاقة معينة بين تيار الفصل والجهد الكهربائي؛ عادةً ما يزداد تيار الفصل مع زيادة الجهد.

• يتعلق وقت الفصل بالتيار والجهد الكهربائي؛ كلما زاد التيار والجهد، قل وقت الفصل.

• خلال الاختبار، يجب الانتباه إلى ضبط نطاق التيار والجهد أثناء الفصل لتجنب عدم الدقة في نتائج الاختبار بسبب القيم العالية جداً أو المنخفضة جداً. بالإضافة إلى ذلك، يجب أيضاً مراعاة العوامل المؤثرة الأخرى مثل درجة الحرارة المحيطة والرطوبة.

2.4 تحليل المجال الكهرومغناطيسي أثناء عملية الفصل
لتحليل المجال الكهرومغناطيسي أثناء عملية الفصل للوحدات الرئيسية الحلقة المعزولة بالغاز الصديق للبيئة، يجب إنشاء نظام اختبار لإجراء قياسات وتحليل المجال الكهرومغناطيسي. في التجربة، يمكن إعداد نظام لقياس المجال الكهرومغناطيسي لاختبار وتسجيل المجال الكهرومغناطيسي أثناء عملية الفصل، كما هو موضح في الجدول 2.

الجدول 2: تحليل المجال الكهرومغناطيسي أثناء عملية الفصل

تحليل تغيرات المجال الكهرومغناطيسي خلال عملية القطع بناءً على الجدول 2 يكشف أن في لحظة القطع، يتراجع التيار فجأة إلى الصفر، وتقل قوة المجال المغناطيسي بشكل حاد. بعد ذلك، تستعيد قوة المجال المغناطيسي تدريجياً إلى حالته السابقة قبل القطع. يمكن أن يقدم تحليل المجال الكهرومغناطيسي بيانات مرجعية مهمة لتخطيط وتحسين الوحدات الدائرية الرئيسية المعزولة بالغاز الصديقة للبيئة.

3. تحليل نتائج الأبحاث حول خصائص القوس والقطع
3.1 تحليل ومعالجة بيانات البارامترات أثناء عمليات القوس والقطع
خلال اختبارات القوس والقطع، تم قياس بارامترات مثل التيار والجهد والزمن بشكل منفصل لتحليل خصائص القوس والقطع. في معالجة البيانات، تم استخدام الأساليب الإحصائية لحساب الوسط الحسابي والتباين ومعامل الاختلاف لكل بارامتير.

① تم تحليل ومعالجة بيانات اختبار القوس. كانت القيم المتوسطة للتيار القوسي والجهد والزمن 8.5 كا، 4.2 كف، و2.5 مل ثانية على التوالي. تم أيضاً حساب التباين ومعامل الاختلاف لفهم توزيع واستقرار بيانات الاختبار. أظهرت النتائج أن التباين للتيار القوسي كان 0.8 كا ومعامل الاختلاف 9.4%؛ التباين للجهد القوسي كان 0.4 كف ومعامل الاختلاف 9.5%؛ والتباين للزمن القوسي كان 0.2 مل ثانية ومعامل الاختلاف 8.0%. هذا يشير إلى أن بيانات اختبار القوس اظهرت توزيعاً نسبياً مستقراً وموثوقية عالية.

② تم تحليل ومعالجة بيانات اختبار القطع. كانت القيم المتوسطة للتيار القاطع والجهد والزمن 3.5 كا، 3.8 كف، و3.0 مل ثانية على التوالي. وبشكل مماثل، تم حساب التباين ومعامل الاختلاف. أظهرت النتائج أن التباين للتيار القاطع كان 0.5 كا ومعامل الاختلاف 14.3%؛ التباين للجهد القاطع كان 0.3 كف ومعامل الاختلاف 7.9%؛ والتباين للزمن القاطع كان 0.1 مل ثانية ومعامل الاختلاف 4.4%. هذا يشير إلى أن بيانات اختبار القطع كانت أقل استقراراً وأقل موثوقية.

بناءً على تحليل البيانات أعلاه، يمكن الاستنتاج بأن موثوقية بيانات اختبار القوس أعلى من موثوقية بيانات اختبار القطع، ربما بسبب الحقول الكهرومغناطيسية المعقدة التي تنطوي عليها عملية القطع، مما يستدعي المزيد من البحث العميق. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استكشاف العلاقة بين خصائص القوس والقطع بشكل أكبر بناءً على بيانات الاختبار.

3.2 تحليل العلاقة بين خصائص القوس والقطع
من خلال تحليل ومعالجة البارامترات من كلا العمليتين القوسية والقطيعة، يمكن دراسة العلاقة بين خصائص القوس والقطع بشكل أكبر. تعتبر خصائص القوس والقطع مؤشرات أداء رئيسية للوحدات الدائرية الرئيسية المعزولة بالغاز الصديقة للبيئة، وفهم علاقتهما يمكن أن يقدم إرشادات قيمة للتخطيط والتحسين.

من منظور خصائص القوس والقطع، يؤثر البارامترات مثل التيار والجهد والزمن على العمليتين بشكل مختلف. خلال القوس، يعتبر التيار القوسي والمدة الزمنية هما البارامتران الرئيسيان، بينما له الجهد تأثير معين. في المقابل، خلال القطع، يعتبر التيار القاطع هو البارامتر المهيمن، مع دور للزمن والجهد. لذلك، عند تحليل العلاقة بين خصائص القوس والقطع، يجب النظر في البارامترات الرئيسية لكل منها بشكل منفصل.

يظهر تحليل البيانات علاقة معينة بين خصائص القوس والقطع:

• زيادة التيار القوسي والجهد يؤدي إلى زيادة توليد منتجات القوس وزيادة استهلاك الطاقة خلال القوس، مما يزيد صعوبة القطع.

• زيادة التيار القاطع يؤدي إلى زيادة طاقة القوس خلال القطع، مما يزيد صعوبة القطع.

إضافة إلى ذلك، يكشف تحليل المجال الكهرومغناطيسي خلال القوس والقطع عن أن المجالات الكهرومغناطيسية تؤثر بشكل كبير في كلا العمليتين. خلال القوس، يقوم المجال الكهرومغناطيسي بتوفير قوة ضاغطة تحاصر القوس. خلال القطع، يقوم المجال الكهرومغناطيسي بتوفير قوة دافعة تدفع القوس خارجاً، مما يؤثر في أداء القطع.

تشير هذه النتائج إلى أن خصائص القوس والقطع مرتبطة بشكل أساسي، وهي تتأثر بشكل أساسي ببارامترات التشغيل الرئيسية والحقول الكهرومغناطيسية. لذلك، في تخطيط وتحسين الوحدات الدائرية الرئيسية المعزولة بالغاز الصديقة للبيئة، يجب النظر بشكل شامل في العلاقة بين خصائص القوس والقطع، وأن يتم تصميم الوحدات لتتناسب مع سيناريوهات التطبيق المحددة لتحقيق أداء مثالي.

4. الخلاصة

من خلال دراسة خصائص القوس والقطع للوحدات الدائرية الرئيسية المعزولة بالغاز الصديقة للبيئة، يمكن الاستنتاج بأن هذه الخصائص تختلف بشكل كبير عن تلك الخاصة بوحدات الدائرة الرئيسية المعزولة بغاز SF₆ التقليدية. تفرض الوحدات الدائرية الرئيسية المعزولة بالغاز الصديق للبيئة متطلبات أكثر صرامة على البارامترات مثل التيار والجهد والزمن، مما يتطلب تصميماً وأتمتة أكثر دقة. بالإضافة إلى ذلك، تختلف توزيعات المجال الكهرومغناطيسي خلال القوس والقطع: خلال القوس، يكون المجال الكهرومغناطيسي أكثر تركيزاً وشدّة، بينما خلال القطع يكون أكثر تجانساً.

مع استمرار توسع تطبيقات الوحدات الدائرية الرئيسية المعزولة بالغاز الصديق للبيئة، قد يركز البحث المستقبلي على الجوانب التالية:

• تحسين تصميم الوحدات الدائرية الرئيسية المعزولة بالغاز الصديق للبيئة من خلال تحليل المحاكاة.

• استكشاف خصائص القوس والقطع تحت ظروف تشغيل مختلفة.

• استكشاف إمكانات تطبيق الغازات الصديقة للبيئة الجديدة في الوحدات الدائرية الرئيسية المعزولة.

باختصار، هذه النتائج البحثية ذات أهمية كبيرة لتعزيز تطوير وتحسين وحدات الحلقة الرئيسية المعزولة بالغاز الصديقة للبيئة.