Výzkum na téma Duhového Vznětu a Charakteristik Přerušování u Ekologicky Příznivých Splynových Okruhů Zásobovacích Jednotek

Ekologicky šetrné plynově izolované okružní rozvaděče (RMU) jsou důležitým distribučním zařízením v elektrických systémech, charakterizující se zelenými, ekologicky šetřivými a vysoko spolehlivými vlastnostmi. Během provozu mají významný vliv na bezpečnost ekologicky šetrných plynově izolovaných RMU charakteristiky tvoření a přerušování oblouku. Proto je hluboké bádání těchto aspektů velmi důležité pro zajištění bezpečného a stabilního chodu elektrických systémů. Tento článek má za cíl prostudovat charakteristiky tvoření a přerušování oblouku u ekologicky šetrných plynově izolovaných RMU prostřednictvím experimentálních testů a analýzy dat, zkoumaje jejich vzory a vlastnosti, s cílem poskytnout teoretickou podporu a technické vedení pro výzkum a vývoj takového zařízení.

1.Výzkum charakteristik tvoření oblouku u ekologicky šetrných plynově izolovaných okružních rozvaděčů

1.1 Základní pojmy a ovlivňující faktory ekologicky šetrných plynů

Ekologicky šetrné plyny jsou plyny, které nevyčerpávají ozonovou vrstvu. Mezi běžné příklady patří dusík (N₂), suší stlačený vzduch (odtěžený olej a odvlhčený) a speciálně formulované nové plyny. Ekologicky šetrné plynově izolované RMU nabízejí výhody jako jsou ekologickost, bezpečnost a spolehlivost a proto jsou široce používány v elektrických systémech. Pro studium jejich charakteristik tvoření oblouku je nutné pochopit základní koncepty a ovlivňující faktory ekologicky šetrných plynů. 

Fyzikální a chemické vlastnosti, molekulární struktura, teplota, tlak, vlhkost a jiné faktory všechny ovlivňují izolační vlastnosti a chování tvoření oblouku těchto plynů, což musí být experimentálně prozkoumáno. Kromě toho je třeba řešit praktické problémy, jako je spotřeba plynu a recyklovatelnost. Proto je hluboké studium základních konceptů a ovlivňujících faktorů ekologicky šetrných plynů klíčové pro výzkum charakteristik tvoření oblouku v ekologicky šetrných plynově izolovaných RMU.

1.2 Výzkumné metody a testovací zařízení pro charakteristiky tvoření oblouku

Prozkoumání charakteristik tvoření oblouku vyžaduje stanovení standardizované testovací metodologie a experimentálního zařízení. Testovací metody obvykle zahrnují elektrotechnické testy založené na fénoménech oblouku a chemickou analýzu. Testovací zařízení musí zajišťovat opakovatelnost, přesnost a bezpečnost, obvykle zahrnuje zdroj vysokého napětí, komoru pro oblouk, měřicí přístroje a systém pro sběr dat. Komora pro oblouk je klíčovou součástí, simulující skutečný proces tvoření oblouku uvnitř ekologicky šetrného plynově izolovaného RMU. Pro efektivní studium charakteristik oblouku musí zařízení poskytovat vhodné úrovně napětí a proudu a umožňovat reálné časové záznamy parametrů, jako jsou napětí oblouku, proud, doba trvání a vedlejší produkty. Je třeba také implementovat dostatečná bezpečnostní opatření, aby se zabránilo nehodám během testování.

1.3 Testování a analýza proudu, napětí a doby trvání oblouku
V studiích charakteristik oblouku jsou klíčovými parametry proud oblouku, napětí oblouku a doba trvání oblouku. Proud oblouku znamená sílu proudu procházejícího oblastí oblouku během jeho existence; napětí oblouku je rozdíl potenciálů napříč oblastí oblouku; a doba trvání oblouku je časový interval od iniciace oblouku do jeho vyhasnutí. Měření těchto parametrů vyžaduje specializované přístroje, jako jsou generátory vysokého napětí, transformátory proudu, transformátory napětí a digitální osciloskopy. Experimentální testování a sběr dat těchto parametrů v ekologicky šetrných plynově izolovaných RMU, následovaný analýzou dat, pomáhá odhalit trendy a vzájemné vztahy, což hloubí pochopení charakteristik tvoření oblouku a poskytuje základní data pro další výzkum.

1.4 Analýza vedlejších produktů během tvoření oblouku
Během tvoření oblouku v ekologicky šetrných plynově izolovaných RMU se generují různé vedlejší produkty, jako jsou oxidy, fluoridy, chloridy a kouř, které mohou představovat riziko pro životní prostředí a lidské zdraví. Aktuálně se k analýze vedlejších produktů oblouku používají dvě hlavní metody: experimentální analýza a numerická simulace. Experimentální analýza zahrnuje simulaci procesu tvoření oblouku v laboratoři, shromažďování vzorků vedlejších produktů a provedení chemické analýzy pro určení druhů a koncentračních rozdělení. Numerická simulace využívá výpočetní modely k predikci rozdělení vedlejších produktů a reakčních cest. 

Analytické techniky, jako jsou chromatografie, hmotnostní spektrometrie a elektronová mikroskopie, jsou používány v experimentální analýze. V numerické simulaci se používají metody, jako je metoda konečných prvků a CFD (Computational Fluid Dynamics), k modelování rozdělení vedlejších produktů a chemických reakčních mechanismů během tvoření oblouku. Výsledky analýzy vedlejších produktů posilují porozumění chemickým reakcím a převodu energie během tvoření oblouku, poskytují teoretickou a technickou podporu pro návrh a aplikaci ekologicky šetrných plynově izolovaných RMU, stejně jako referenční data pro monitorování životního prostředí a bezpečnost osob.

2. Výzkum charakteristik přerušování u ekologicky šetrných plynově izolovaných okružních rozvaděčů

2.1 Základní pojmy a ovlivňující faktory přerušovacích jevů
2.1.1 Metody testování přerušování
Testování přerušování je klíčovým krokem v studiu charakteristik přerušování ekologicky šetrných plynově izolovaných RMU. Typicky se provádí buď konvenčními experimentálními metodami, nebo numerickou simulací. Konvenční metody zahrnují vytvoření platformy pro testování přerušování a měnění testovacích podmínek (např. proud, napětí) pro pozorování chování při přerušování a shromažďování experimentálních dat. Numerická simulace na druhou stranu využívá počítačové modely k simulaci fyzikálních jevů během přerušování, umožňující rychlé generování velkých datových souborů a predikci výkonu při přerušování.

2.1.2 Nastavení testu
Pro studium charakteristik přerušení musí být navržen a postaven speciální testovací sestav. Tato sestava zahrnuje vysokonapěťové zdroje energie, přepínací zařízení a měřicí přístroje. Vysokonapěťový zdroj poskytuje energii k přepínacímu zařízení, které provádí skutečné přerušení, zatímco přístroje měří a zaznamenávají charakteristiky přerušení.

2.1.3 Testování a analýza parametrů charakteristik přerušení
Výzkum charakteristik přerušení vyžaduje testování a analýzu parametrů jako jsou proud, napětí a čas během procesu přerušení. Tyto parametry jsou klíčovými ukazateli pro hodnocení výkonu přerušení. Proud a napětí popisují elektrické chování během přerušení, zatímco čas odráží časovou dynamiku. Analýza těchto parametrů odhaluje klíčové informace, jako jsou trendy změn proudu a napětí při přerušení, doba trvání přerušení a celkový výkon.

2.2 Metody výzkumu a nastavení testu pro charakteristiky přerušení
Běžné metody pro studium charakteristik přerušení ekologicky šetrných plynově izolovaných RMU zahrnují konvenční testy přerušení a pokročilé numerické simulace. Konvenční testy zahrnují nastavení přepínacích a zátěžových zařízení na testovacím stojanu, variaci parametrů zdroje energie (napětí, proud atd.), pozorování přechodových procesů během přerušení a záznam parametrů jako jsou proud, napětí a čas pro zpracování a analýzu dat. 

V porovnání s konvenčními testy nabízejí numerické simulace vyšší přesnost modelování charakteristik přerušení. Pomocí počítačových simulací a modelovacích technik řeší numerické metody klíčová fyzikální pole - jako jsou elektrické pole, magnetické pole, teplotní pole a pole toku - během přerušení, zohledňujíce více faktorů, včetně proudu, napětí, vzdálenosti mezi elektrodami a okolní teploty. Kromě toho umožňují numerické simulace optimalizaci návrhu RMU úpravou materiálových vlastností a geometrických konfigurací.
Pro testovací sestavu mohou vysokonapěťové zdroje DC a vysokovýkonné jednotky vypalování kondenzátorů poskytnout nezbytné podmínky vysokého napětí a proudu. Rychlé systémy sběru dat a záznamové přístroje se používají k přesnému zachycení parametrů přerušení. Pro zajištění opakovatelnosti a přesnosti musí být testovací sestava kalibrována a ověřena.

2.3 Testování a analýza proudu, napětí a času přerušení
Testování a analýza proudu, napětí a času přerušení je klíčovou součástí studia charakteristik přerušení.
(1) Cíl testu: Pochopit charakteristiky přerušení ekologicky šetrných plynově izolovaných RMU prostřednictvím testování a analýzy proudu, napětí a času přerušení, hodnotit jejich výkon v reálných provozních podmínkách a poskytnout základ pro využití a vylepšení zařízení.
(2) Testovací zařízení: Digitální amperometry, napěťové transformátory, přístroje pro měření času, osciloskopy a systémy sběru dat se používají k zajištění přesného měření proudu, napětí a času během přerušení.
(3) Postup testu:

• Test proudu přerušení: Provést přerušení za standardních testovacích podmínek, zaznamenat vlnové obrazy proudu a zajistit správné spojení mezi testovacím zařízením a RMU. Měřit změny proudu pomocí proudivých transformátorů a digitálních amperometrů.

• Test napětí přerušení: Podobně, provést přerušení za standardních podmínek, zaznamenat vlnové obrazy napětí a měřit změny napětí pomocí napěťových transformátorů a digitálních voltmetrů.

• Test času přerušení: Použít přístroje pro měření času k přesnému zaznamenání časového intervalu od začátku do konce operace přerušení.

• Test přechodového procesu: Použít osciloskopy a systémy sběru dat k zachycení přechodových vlnových obrazů proudu a napětí během přerušení pro analýzu přechodových charakteristik.

(4) Záznam a analýza dat: Zaznamenat vlnové obrazy proudu, vlnové obrazy napětí, data o čase přerušení a přechodové vlnové obrazy. Analyzovat, zda splňuje proud inženýrské požadavky, zda napětí odpovídá specifikacím a zda čas přerušení splňuje návrhová kritéria. Hodnotit dopad přechodových procesů na výkon a stabilitu zařízení. Díky výše uvedeným detailním testovacím postupům se zajišťuje přesný sběr dat a hluboká analýza. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Testování a analýza parametrů proudu, napětí a času

Na základě analýzy tabulky 1 lze vyvodit následující závěry:

• Existuje určitý vztah mezi přerušovacím proudem a napětím; obecně vzato, přerušovací proud roste s rostoucím napětím.

• Doba přerušení je spojena s oběma, proudem i napětím; čím vyšší jsou hodnoty proudu a napětí, tím kratší je doba přerušení.

• Během testování by měla být upřednostněna kontrola rozsahu proudu a napětí během přerušení, aby se zabránilo neúplnosti výsledků testu způsobené příliš vysokými nebo příliš nízkými hodnotami. Kromě toho by měly být brány v úvahu i další ovlivňující faktory, jako jsou okolní teplota a vlhkost.

2.4 Analýza elektromagnetického pole během přerušovacího procesu
Pro analýzu elektromagnetického pole během přerušovacího procesu ekologicky šetrných plynově izolovaných okruhových rozvoden musí být zřízen experimentální prostor pro provedení měření a analýzy elektromagnetického pole. V rámci experimentu lze nastavit systém pro měření elektromagnetického pole, který slouží k testování a zaznamenávání elektromagnetického pole během přerušovacího procesu, jak je uvedeno v tabulce 2.

Tabulka 2: Analýza elektromagnetického pole během přerušovacího procesu

Analýza změn elektromagnetického pole během procesu přerušení na základě tabulky 2 odhaluje, že v okamžiku přerušení proud náhle klesne na nulu a síla magnetického pole odpovídajícím způsobem prudce klesne. Následně síla magnetického pole postupně obnoví svůj stav před přerušením. Analýza elektromagnetického pole může poskytnout důležitá referenční data pro návrh a optimalizaci ekologických plynově izolovaných členěných schránkových rozvodoven.

3.Analýza výsledků výzkumu charakteristik oblouku a přerušení
3.1 Zpracování a analýza parametrů během procesů oblouku a přerušení
Během testů oblouku a přerušení byly samostatně měřeny parametry jako proud, napětí a čas, aby byly analyzovány charakteristiky oblouku a přerušení. Při zpracování dat byly použity statistické metody pro výpočet průměru, směrodatné odchylky a koeficientu variability každého parametru.

① Data z testů oblouku byla analyzována a zpracována. Průměrné hodnoty proudu, napětí a času oblouku byly 8,5 kA, 4,2 kV a 2,5 ms, respektive. Byly také vypočítány směrodatné odchylky a koeficienty variability, aby bylo možné pochopit distribuci a stabilitu testovacích dat. Výsledky ukázaly, že směrodatná odchylka proudu oblouku byla 0,8 kA s koeficientem variability 9,4 %; směrodatná odchylka napětí oblouku byla 0,4 kV s koeficientem variability 9,5 %; a směrodatná odchylka času oblouku byla 0,2 ms s koeficientem variability 8,0 %. To naznačuje, že data z testů oblouku vykazovala relativně stabilní distribuci a vysokou spolehlivost.

② Data z testů přerušení byla analyzována a zpracována. Průměrné hodnoty proudu, napětí a času přerušení byly 3,5 kA, 3,8 kV a 3,0 ms, respektive. Podobně byly vypočítány směrodatné odchylky a koeficienty variability. Výsledky ukázaly, že směrodatná odchylka proudu přerušení byla 0,5 kA s koeficientem variability 14,3 %; směrodatná odchylka napětí přerušení byla 0,3 kV s koeficientem variability 7,9 %; a směrodatná odchylka času přerušení byla 0,1 ms s koeficientem variability 4,4 %. To naznačuje, že data z testů přerušení byla relativně méně stabilní a měla nižší spolehlivost.

Na základě výše uvedené analýzy dat lze usoudit, že spolehlivost dat z testů oblouku je vyšší než spolehlivost dat z testů přerušení, což může být způsobeno složitými elektromagnetickými poli zapojenými do procesu přerušení, což vyžaduje další hlubší zkoumání. Kromě toho lze na základě testovacích dat dále prozkoumat vztah mezi charakteristikami oblouku a přerušení.

3.2 Analýza vztahu mezi charakteristikami oblouku a přerušení
Prostřednictvím analýzy a zpracování parametrů z obou procesů, oblouku a přerušení, lze dále studovat vztah mezi charakteristikami oblouku a přerušení. Oba tyto charakteristiky jsou klíčovými ukazateli výkonu ekologických plynově izolovaných členěných schránkových rozvodoven a porozumění jejich vzájemnému vztahu může poskytnout cenné pokyny pro návrh a optimalizaci.

Z hlediska charakteristik oblouku a přerušení ovlivňují parametry jako proud, napětí a čas oba procesy různým způsobem. Během oblouku jsou hlavními parametry proud a doba trvání oblouku, zatímco napětí má určitý vliv. Naopak, během přerušení je dominantním parametrem proud přerušení, zatímco čas a napětí rovněž hrají roli. Proto při analýze vztahu mezi charakteristikami oblouku a přerušení je třeba zohlednit jejich klíčové parametry zvlášť.

Analýza dat ukazuje určitou korelaci mezi charakteristikami oblouku a přerušení:

• Zvýšení proudu a napětí oblouku vedou ke většímu vytváření vedlejších produktů oblouku a větší spotřebě energie během oblouku, což zvyšuje obtížnost přerušení.

• Zvýšení proudu přerušení způsobuje vyšší energetický obsah oblouku během přerušení, což také zvyšuje obtížnost přerušení.

Kromě toho ukazuje analýza elektromagnetického pole během oblouku a přerušení, že elektromagnetická pole mají významný vliv na oba procesy. Během oblouku elektromagnetické pole vyvíjí tíživou sílu, která omezí difuzi oblouku. Během přerušení elektromagnetické pole generuje odraznou sílu, která oblouk vytlačuje ven, což ovlivňuje výkon přerušení.

Tyto zjištění naznačují, že charakteristiky oblouku a přerušení jsou vzájemně propojeny, přičemž jsou hlavně ovlivněny svými klíčovými provozními parametry a efekty elektromagnetického pole. Proto by v návrhu a optimalizaci ekologických plynově izolovaných členěných schránkových rozvodoven měl být komplexně zohledněn vztah mezi charakteristikami oblouku a přerušení a návrhy by měly být upraveny podle specifických aplikací, aby bylo dosaženo optimálního výkonu.

4.Závěr

Studiem charakteristik oblouku a přerušení ekologických plynově izolovaných členěných schránkových rozvodoven lze usoudit, že tyto charakteristiky se výrazně liší od charakteristik tradičních SF₆ izolovaných členěných schránkových rozvodoven. Ekologické plynově izolované RMU klade striktnější požadavky na parametry jako proud, napětí a čas, což vyžaduje přesnější návrh a optimalizaci. Kromě toho se distribuce elektromagnetického pole během oblouku a přerušení liší: během oblouku je elektromagnetické pole více soustředěné a intenzivní, zatímco během přerušení je více rovnoměrné.

S rozšiřující se aplikací ekologických plynově izolovaných členěných schránkových rozvodoven může budoucí výzkum zaměřit na následující aspekty:

• Optimalizace návrhu ekologických plynově izolovaných RMU prostřednictvím simulační analýzy.

• Prozkoumání charakteristik oblouku a přerušení za různých pracovních podmínek.

• Průzkum aplikace potenciálu nových ekologických plynů v izolovaných členěných schránkových rozvodoven.

V souhrnu jsou tyto výsledky výzkumu velmi důležité pro rozvoj a optimalizaci ekologicky šetrných plynově izolovaných okruhových členů.