Изследване на характеристиките на дъговото горене и прекъсването в екологични газово изолирани разпределителни уреди

Екологичните газоизолирани кръгови разпределителни апарати (RMUs) са важни елементи в електрическите системи, характеризиращи се с екологичност, природопазване и висока надеждност. При работата им образуването и прекъсването на дъга значително влияят върху безопасността на екологичните газоизолирани RMUs. Затова дълбокото изследване на тези аспекти е от голямо значение за осигуряване на безопасна и стабилна работа на електроенергийните системи. Тази статия се стреми да изследва характеристиките на образуването и прекъсването на дъга в екологичните газоизолирани RMUs чрез експериментално тестване и анализ на данни, като целят да се изучат техните закономерности и особености, с цел предоставяне на теоретична подкрепа и техническо ръководство за разработването на такива устройства.

1.Изследване на характеристиките на образуването на дъга в екологичните газоизолирани кръгови разпределителни апарати

1.1 Основни понятия и фактори, които оказват влияние върху екологичните газове

Екологичните газове са газове, които не опустошават озоновия слой. Общи примери включват азот (N₂), сух втиснат въздух (обезмаслен и обезвлажен) и специално формулирани нови газове. Екологичните газоизолирани RMUs предлагат предимства като екологичност, безопасност и надеждност и са широко използвани в електроенергийните системи. Изучаването на характеристиките на образуването на дъга изисква разбиране на основните понятия и фактори, които оказват влияние върху екологичните газове. 

Физическите и химичните свойства, молекулярната структура, температурата, налягането, влажността и други фактори влияят върху изолационните характеристики и поведението при образуване на дъга на тези газове, които трябва да бъдат изследвани експериментално. Освен това трябва да се преодолеят практически предизвикателства като обема на използването на газ и рециклируемостта му. Затова дълбокото изучаване на основните понятия и фактори, които оказват влияние върху екологичните газове, е необходимо за изследването на характеристиките на образуването на дъга в екологичните газоизолирани RMUs.

1.2 Методи и тестово устройство за изследване на характеристиките на образуването на дъга

Изследването на характеристиките на образуването на дъга изисква установяване на стандартизиран метод за тестване и експериментално устройство. Методите за тестване типично включват електрически тестове, базирани на феномените на дъга, и химичен анализ. Тестовото устройство трябва да гарантира повторяемост, точност и безопасност, обикновено включва високо напрегнат източник, камера за дъга, измервателни инструменти и система за събиране на данни. Камерата за дъга е ключов компонент, който моделира действителния процес на образуване на дъга в екологичен газоизолиран RMU. За ефективно изучаване на характеристиките на дъгата, устройството трябва да предоставя подходящи ниво на напрежение и ток и да позволява реално време записване на параметри като напрежение на дъга, ток, продължителност и вторични продукти. Също така трябва да бъдат приложени адекватни мерки за безопасност, за да се предотвратят аварии по време на тестването.

1.3 Тестване и анализ на тока, напрежението и продължителността на дъга
В изследванията на характеристиките на дъга, токът, напрежението и продължителността на дъга са ключови параметри. Токът на дъга се отнася до големината на тока, минаващ през областта на дъга по време на дъгата; напрежението на дъга е потенциалната разлика в областта на дъга; а продължителността на дъга е интервалът от време от началото до изчезването на дъгата. Измерването на тези параметри изисква специализирани инструменти като високо напрегнати генератори, трансформатори за ток, трансформатори за напрежение и цифрови осцилоскопи. Експерименталното тестване и събиране на данни за тези параметри в екологичните газоизолирани RMUs, последвани от анализ на данните, помагат за откриване на тенденции и взаимосвързаност, което дълбоко усъвършенства разбирането на характеристиките на образуването на дъга и предоставя основни данни за допълнителни изследвания.

1.4 Анализ на вторичните продукти по време на дъга
По време на дъга в екологичните газоизолирани RMUs се генерират различни вторични продукти, като оксиди, флуориди, хлориди и дим, които могат да представляват опасност за околната среда и човешкото здраве. В момента се използват два главни подхода за анализ на вторичните продукти: експериментален анализ и числено моделиране. Експерименталният анализ включва моделиране на процеса на дъга в лаборатория, събиране на проби от вторични продукти и провеждане на химичен анализ, за да се определят видовете и разпределението на концентрацията. Численото моделиране използва компютърни модели, за да предскаже разпределението на вторичните продукти и пътищата на реакции. 

Аналитични методи като хроматография, мас-спектрометрия и електронна микроскопия се използват в експерименталния анализ. В численото моделиране се използват методи като анализ на крайни елементи и CFD (числена динамика на теченията) за моделиране на разпределението на вторичните продукти и механизми на химични реакции по време на дъга. Резултатите от анализа на вторичните продукти подобряват разбирането на химичните реакции и преобразуването на енергия по време на дъга, предоставяйки теоретична и техническа подкрепа за проектирането и приложението на екологични газоизолирани RMUs, както и референтни данни за екологично наблюдение и безопасност на персонала.

2. Изследване на характеристиките на прекъсването на екологичните газоизолирани кръгови разпределителни апарати

2.1 Основни понятия и фактори, които оказват влияние върху явленията на прекъсване
2.1.1 Методи за тестване на прекъсване
Тестването на прекъсване е критичен етап в изучаването на характеристиките на прекъсване на екологичните газоизолирани RMUs. Обикновено се провежда или чрез традиционни експериментални методи, или чрез числено моделиране. Традиционните методи включват изграждане на платформа за тестване на прекъсване и вариращи условия на тестване (например ток, напрежение), за да се наблюдава поведението на прекъсване и да се събират експериментални данни. Численото моделиране, от друга страна, използва компютърни модели, за да симулира физическия процес по време на прекъсване, позволяващ бързо генериране на големи набори от данни и прогнозиране на производителността при прекъсване.

2.1.2 Конфигурация на тест
За изучаване на характеристиките на прекъсването, трябва да се проектира и построи специална конфигурация за тест. Тази конфигурация включва високонапреден преобразувател, комутационно оборудване и измервателни инструменти. Високонапредният преобразувател предоставя енергия към комутационното устройство, което извършва действителната операция на прекъсване, докато инструментите измерват и записват характеристиките на прекъсването.

2.1.3 Тестове и анализ на параметрите на характеристиките на прекъсването
Изследването на характеристиките на прекъсването изисква тестване и анализ на параметри като ток, напрежение и време по време на процеса на прекъсване. Тези параметри са ключови показатели за оценка на производителността при прекъсване. Токът и напрежението описват електрическото поведение по време на прекъсването, докато времето отразява временния динамизъм. Анализът на тези параметри разкрива критична информация, такава като тенденции на изменение на тока и напрежението при прекъсване, продължителността на прекъсването и общата производителност.

2.2 Методи за изследване и конфигурация за тест на характеристиките на прекъсването
Общоприети методи за изучаване на характеристиките на прекъсването на екологично чисти газово-изолирани RMUs включват стандартни тестове за прекъсване и напредни числови симулации. Стандартните тестове включват установяване на комутационни и натоварващи устройства в тестова рама, промяна на параметрите на преобразувателя (напрежение, ток и т.н.), наблюдение на преходните процеси по време на прекъсването и запис на параметри като ток, напрежение и време за обработка и анализ на данните. 

В сравнение със стандартните тестове, числовите симулации предлагат по-висока точност в моделирането на характеристиките на прекъсването. Използвайки компютърни симулации и техники за моделиране, числените методи решават ключови физически полета – като електрическо поле, магнитно поле, температурно поле и поле на потока – по време на прекъсването, като се вземат предвид множеството фактори, включително ток, напрежение, разстояние между електродите и околната температура. Освен това, числовите симулации позволяват оптимизация на дизайна на RMU чрез коригиране на свойствата на материала и геометричните конфигурации.
За конфигурацията на тест, високонапредни DC преобразуватели и високомощни ъндивидуални зарядни единици могат да предоставят необходимите условия на високо напрежение и висок ток. Високоскоростни системи за придобиване на данни и записи се използват за точното засичане на параметрите на прекъсването. За осигуряване на повторяемост и точност, конфигурацията на тест трябва да бъде калибрирана и проверена.

2.3 Тестване и анализ на тока, напрежението и времето при прекъсването
Тестването и анализът на тока, напрежението и времето при прекъсването е важна част от изучаването на характеристиките на прекъсването.
(1) Цел на теста: Да се разберат характеристиките на прекъсването на екологично чисти газово-изолирани RMUs чрез тестване и анализ на тока, напрежението и времето при прекъсването, да се оцени производителността им в реални условия на работа и да се предостави основа за използване и подобряване на оборудването.
(2) Тестово оборудване: Дигитални амперметри, преобразуватели на напрежение, инструменти за измерване на времето, осцилоскопи и системи за придобиване на данни се използват за осигуряване на точни измервания на тока, напрежението и времето по време на прекъсването.
(3) Процедури за тест:

• Тест на тока при прекъсването: Извършете прекъсване при стандартни тестови условия, запишете вълновите форми на тока и осигурете правилно свързване между тестовото оборудване и RMU. Измерете вариациите на тока с преобразуватели на ток и дигитални амперметри.

• Тест на напрежението при прекъсването: По същия начин, извършете прекъсване при стандартни условия, запишете вълновите форми на напрежението и измерете измененията на напрежението с преобразуватели на напрежение и дигитални волтметри.

• Тест на времето при прекъсването: Използвайте инструменти за измерване на времето, за да запишете интервала от време от началото до завършването на операцията на прекъсване.

• Тест на преходния процес: Използвайте осцилоскопи и системи за придобиване на данни, за да засечете преходните вълнови форми на тока и напрежението по време на прекъсването за анализ на преходните характеристики.

(4) Запис и анализ на данните: Запишете вълновите форми на тока, напрежението, данните за времето на прекъсване и преходните вълнови форми. Анализирайте дали токът при прекъсване отговаря на инженерните изисквания, дали напрежението при прекъсване спазва спецификациите, и дали времето на прекъсване удовлетворява проектните критерии. Оценете влиянието на преходните процеси върху производителността и стабилността на оборудването. Чрез гореспоменатите детайлни процедури за тест, всестранното разглеждане на всички релевантни фактори осигурява точното събиране на данни и задълбочен анализ. Резултатите са показани в таблица 1.

Таблица 1: Тестване и анализ на параметрите на тока, напрежението и времето

Чрез анализ на таблица 1 могат да се извадят следните заключения:

• Има определена връзка между прекъсващия ток и напрежението; обикновено прекъсващият ток нараства с увеличаването на напрежението.

• Времето за прекъсване е свързано както с тока, така и с напрежението; колкото по-висок е токът и напрежението, толкова по-кратко е времето за прекъсване.

• По време на тестовете трябва да се обърне внимание на контролирането на диапазона на тока и напрежението по време на прекъсването, за да се избегнат неточности в резултатите от тестовете, причинени от стойности, които са твърде високи или твърде ниски. Освен това трябва да се вземат предвид и други влияещи фактори, като температурата и влажността на околната среда.

2.4 Анализ на електромагнитното поле по време на процеса на прекъсване
За анализ на електромагнитното поле по време на процеса на прекъсване на екологични газово изолирани кръгови главни агрегати, трябва да бъде установена тестова конфигурация, за да се проведат измервания и анализ на електромагнитното поле. В експеримента може да се установи система за измерване на електромагнитното поле, за да се тестира и регистрира електромагнитното поле по време на процеса на прекъсване, както е показано в таблица 2.

Таблица 2: Анализ на електромагнитното поле по време на процеса на прекъсване

Анализът на вариациите в електромагнитното поле по време на процеса на прекъсване, основан на таблица 2, показва, че в момента на прекъсването токът изведнъж пада до нула и силата на магнитното поле съответно рязко намалява. След това силата на магнитното поле бавно се възстановява до своето предишно състояние. Анализът на електромагнитното поле може да предостави важни референтни данни за проектирането и оптимизирането на екологични газово-изолирани разпределителни устройства.

3.Анализ на резултатите от изследванията на характеристики на дугата и прекъсването
3.1 Анализ и обработка на параметрите по време на процесите на дуга и прекъсване
По време на тестовете за дуга и прекъсване, параметри като ток, напрежение и време са измерени отделно, за да се анализират характеристиките на дугата и прекъсването. В обработката на данните са използвани статистически методи за изчисляване на средната стойност, стандартното отклонение и коефициента на вариация за всеки параметър.

① Данните от тестовете за дуга са анализирани и обработени. Средните стойности на тока, напрежението и времето на дугата са съответно 8,5 кА, 4,2 кВ и 2,5 мс. Стандартните отклонения и коефициентите на вариация са изчислени, за да се разбере разпределението и стабилността на тестовите данни. Резултатите показаха, че стандартното отклонение на тока на дугата е 0,8 кА с коефициент на вариация 9,4%; стандартното отклонение на напрежението на дугата е 0,4 кВ с коефициент на вариация 9,5%; и стандартното отклонение на времето на дугата е 0,2 мс с коефициент на вариация 8,0%. Това указва, че данните от тестовете за дуга имат относително стабилно разпределение и висока надеждност.

② Данните от тестовете за прекъсване са анализирани и обработени. Средните стойности на тока, напрежението и времето на прекъсването са съответно 3,5 кА, 3,8 кВ и 3,0 мс. По същия начин са изчислени стандартните отклонения и коефициентите на вариация. Резултатите показаха, че стандартното отклонение на тока на прекъсването е 0,5 кА с коефициент на вариация 14,3%; стандартното отклонение на напрежението на прекъсването е 0,3 кВ с коефициент на вариация 7,9%; и стандартното отклонение на времето на прекъсването е 0,1 мс с коефициент на вариация 4,4%. Това сочи, че данните от тестовете за прекъсване са относително по-малко стабилни и имат по-ниска надеждност.

На основата на горния анализ на данните, може да се заключи, че надеждността на данните от тестовете за дуга е по-висока от тази на данните от тестовете за прекъсване, вероятно поради сложните електромагнитни полета, участващи в процеса на прекъсване, което изисква допълнително детайлно проучване. Освен това, връзката между характеристиките на дугата и прекъсването може да бъде по-нататък изучена на основата на тестовите данни.

3.2 Анализ на връзката между характеристиките на дугата и прекъсването
Чрез анализ и обработка на параметрите от процесите на дуга и прекъсване, връзката между характеристиките на дугата и прекъсването може да бъде по-нататък изучена. Характеристиките на дугата и прекъсването са ключови показатели на производителността на екологичните газово-изолирани разпределителни устройства, и разбирането на техния взаимен връзки може да предостави ценни насоки за проектирането и оптимизирането.

От гледна точка на характеристиките на дугата и прекъсването, параметри като ток, напрежение и време влияят различно върху двата процеса. По време на дугата, токът и продължителността на дугата са основните параметри, а напрежението също има определено влияние. Напротив, по време на прекъсването, токът на прекъсването е доминиращият параметър, а времето и напрежението също играят роли. Затова, когато се анализира връзката между характеристиките на дугата и прекъсването, трябва да се разглеждат отделно техните съответни ключови параметри.

Анализът на данните показва определена връзка между характеристиките на дугата и прекъсването:

• Увеличението на тока и напрежението на дугата води до повече продукти на дугата и по-голямо енергийно потребление по време на дугата, което увеличава трудността при прекъсването.

• Увеличението на тока на прекъсването води до по-висока енергия на дугата по време на прекъсването, което също увеличава трудността при прекъсването.

Освен това, анализът на електромагнитното поле по време на дугата и прекъсването показва, че електромагнитните полета значително влияят върху двата процеса. По време на дугата, електромагнитното поле оказва ограничаваща сила, която ограничава дифузията на дугата. По време на прекъсването, електромагнитното поле генерира отблъскваща сила, която избутва дугата надолу, влияйки на производителността при прекъсването.

Тези открития показват, че характеристиките на дугата и прекъсването са взаимно свързани, главно влияни от техните ключови оперативни параметри и ефектите на електромагнитните полета. Затова, при проектирането и оптимизирането на екологичните газово-изолирани разпределителни устройства, трябва да се вземе под внимание връзката между характеристиките на дугата и прекъсването, и дизайновете трябва да бъдат адаптирани към специфични приложни сценарии, за да се постигне оптимална производителност.

4.Заключение

Чрез изучаването на характеристиките на дугата и прекъсването на екологичните газово-изолирани разпределителни устройства, може да се заключи, че тези характеристики се различават значително от тези на традиционните SF₆-изолирани разпределителни устройства. Екологичните газово-изолирани RMU изискват стриктни изисквания за параметри като ток, напрежение и време, което изисква по-точно проектиране и оптимизиране. Освен това, разпределението на електромагнитното поле по време на дугата и прекъсването се различава: по време на дугата, електромагнитното поле е по-концентрирано и интензивно, докато по време на прекъсването, то е по-равномерно.

С оглед на разширяващото се приложение на екологичните газово-изолирани разпределителни устройства, бъдещите изследвания може да се фокусират върху следните аспекти:

• Оптимизиране на дизайна на екологичните газово-изолирани RMU чрез симулационен анализ.

• Изследване на характеристиките на дугата и прекъсването при различни условия на работа.

• Изследване на потенциала за приложение на новаторски екологични газове в изолирани разпределителни устройства.

В резултат, тези изследвания са от голямо значение за напредъка и оптимизирането на екологичните газово-изолирани кръгови щепеливи агрегати.