Forschung zu Bogenbildung und Unterbrechungscharakteristiken umweltfreundlicher gasisolerter Ringkabelverteiler

Umweltfreundliche gasisolierte Ringverteiler (RMUs) sind wichtige Verteilungseinrichtungen in elektrischen Systemen und zeichnen sich durch ihre umweltfreundlichen, grünen und hochzuverlässigen Eigenschaften aus. Während des Betriebs beeinflussen die Entstehungs- und Unterbrechungseigenschaften von Bögen erheblich die Sicherheit umweltfreundlicher gasisolerter RMUs. Daher ist eine eingehende Forschung in diesen Bereichen von großer Bedeutung, um den sicheren und stabilen Betrieb von Stromsystemen zu gewährleisten. Dieser Artikel hat das Ziel, die Entstehungs- und Unterbrechungseigenschaften umweltfreundlicher gasisolerter RMUs durch experimentelle Prüfungen und Datenanalyse zu untersuchen, um deren Muster und Merkmale zu erkunden, mit dem Ziel, theoretische Unterstützung und technische Anleitung für die Entwicklung solcher Geräte bereitzustellen.

1. Forschung zu den Entstehungseigenschaften von Bögen in umweltfreundlichen gasisolierten Ringverteilern

1.1 Grundlegende Konzepte und Einflussfaktoren umweltfreundlicher Gase

Umweltfreundliche Gase beziehen sich auf Gase, die die Ozonschicht nicht erschöpfen. Beispiele hierfür sind Stickstoff (N₂), trockene komprimierte Luft (entölt und entfeuchtet) und speziell formulierte neue Gase. Umweltfreundliche gasisolierte RMUs bieten Vorteile wie Umweltfreundlichkeit, Sicherheit und Zuverlässigkeit und werden daher in Stromsystemen weit verbreitet eingesetzt. Das Studium ihrer Entstehungseigenschaften von Bögen erfordert ein Verständnis der grundlegenden Konzepte und Einflussfaktoren umweltfreundlicher Gase. 

Physikalische und chemische Eigenschaften, molekulare Struktur, Temperatur, Druck, Feuchtigkeit und andere Faktoren beeinflussen die Isolierleistung und das Entstehungsverhalten dieser Gase, was experimentell untersucht werden muss. Darüber hinaus müssen praktische Herausforderungen wie der Gasverbrauch und die Recyclingfähigkeit angesprochen werden. Daher ist eine eingehende Untersuchung der grundlegenden Konzepte und Einflussfaktoren umweltfreundlicher Gase für die Erforschung der Entstehungseigenschaften von Bögen in umweltfreundlichen gasisolierten RMUs unerlässlich.

1.2 Forschungsmethoden und Testaufbau für die Entstehungseigenschaften von Bögen

Die Untersuchung der Entstehungseigenschaften von Bögen erfordert die Etablierung einer standardisierten Testmethode und eines experimentellen Aufbaus. Testmethoden umfassen in der Regel elektrische Prüfungen basierend auf Bogenvorkommnissen und chemische Analysen. Der Testaufbau muss Wiederholbarkeit, Genauigkeit und Sicherheit gewährleisten und besteht in der Regel aus einer Hochspannungsquelle, einem Bogenkammer, Messgeräten und einem Datenerfassungssystem. Die Bogenkammer ist ein kritischer Bestandteil, der den tatsächlichen Entstehungsprozess innerhalb eines umweltfreundlichen gasisolierten RMUs simuliert. Um die Bogencharakteristiken effektiv zu studieren, muss der Aufbau angemessene Spannungs- und Strompegel bereitstellen und die Echtzeit-Aufzeichnung von Parametern wie Bogen-Spannung, -Strom, -Dauer und -Nebenprodukten ermöglichen. Ausreichende Sicherheitsmaßnahmen müssen auch implementiert werden, um Unfälle während der Prüfung zu vermeiden.

1.3 Prüfung und Analyse von Bogenstrom, -Spannung und -Dauer
Bei der Untersuchung von Bogencharakteristika sind Bogenstrom, -Spannung und -Dauer Schlüsselparameter. Bogenstrom bezieht sich auf die Größe des Stroms, der während des Bogenvorgangs durch die Bogenregion fließt; Bogen-Spannung ist die Spannungsdifferenz über die Bogenregion; und Bogen-Dauer ist der Zeitraum vom Beginn bis zum Ende des Bogenvorgangs. Die Messung dieser Parameter erfordert spezialisierte Instrumente wie Hochspannungs-Generatoren, Stromtransformatoren, Spannungstransformatoren und digitale Oszilloskope. Experimentelle Prüfungen und Datensammlungen dieser Parameter in umweltfreundlichen gasisolierten RMUs, gefolgt von Datenanalyse, helfen dabei, Trends und Wechselbeziehungen aufzudecken, was das Verständnis der Entstehungseigenschaften von Bögen vertieft und grundlegende Daten für weitere Forschungen bereitstellt.

1.4 Analyse von Nebenprodukten während des Bogenvorgangs
Während des Bogenvorgangs in umweltfreundlichen gasisolierten RMUs entstehen verschiedene Nebenprodukte, wie Oxide, Fluoride, Chloride und Rauch, die möglicherweise Gefahren für die Umwelt und die menschliche Gesundheit darstellen. Aktuell werden zwei Hauptansätze zur Analyse von Nebenprodukten verwendet: experimentelle Analyse und numerische Simulation. Experimentelle Analyse beinhaltet die Simulation des Bogenvorgangs im Labor, die Probenahme von Nebenprodukten und die Durchführung chemischer Analysen, um Arten- und Konzentrationsverteilungen zu bestimmen. Numerische Simulation verwendet Berechnungsmodelle, um die Verteilung von Nebenprodukten und Reaktionswege vorherzusagen. 

Analysetechniken wie Chromatographie, Massenspektrometrie und Elektronenmikroskopie werden in der experimentellen Analyse eingesetzt. In der numerischen Simulation werden Methoden wie Finite-Elemente-Analyse und CFD (Computational Fluid Dynamics) verwendet, um die Verteilung von Nebenprodukten und chemische Reaktionsmechanismen während des Bogenvorgangs zu modellieren. Ergebnisse der Nebenproduktanalyse verbessern das Verständnis chemischer Reaktionen und Energieumwandlung während des Bogenvorgangs und bieten theoretische und technische Unterstützung für die Gestaltung und Anwendung umweltfreundlicher gasisolerter RMUs sowie Referenzdaten für Umweltüberwachung und Personalsicherheit.

2. Forschung zu den Unterbrechungseigenschaften umweltfreundlicher gasisolerter Ringverteiler

2.1 Grundlegende Konzepte und Einflussfaktoren von Unterbrechungsvorgängen
2.1.1 Methoden zur Unterbrechungsprüfung
Unterbrechungsprüfungen sind ein entscheidender Schritt bei der Untersuchung der Unterbrechungseigenschaften umweltfreundlicher gasisolerter RMUs. Sie werden in der Regel entweder mit herkömmlichen experimentellen Methoden oder durch numerische Simulation durchgeführt. Herkömmliche Methoden beinhalten den Aufbau einer Unterbrechungsprüfplattform und die Variation der Prüfbedingungen (z.B. Strom, Spannung), um das Unterbrechungsverhalten zu beobachten und experimentelle Daten zu sammeln. Numerische Simulationen verwenden dagegen Computermodelle, um physikalische Phänomene während der Unterbrechung zu simulieren, wodurch große Datensätze schnell generiert und die Vorhersage der Unterbrechungsleistung ermöglicht wird.

2.1.2 Testaufbau
Um die Unterbrechungseigenschaften zu untersuchen, muss ein spezieller Testaufbau entwickelt und errichtet werden. Dieser Aufbau umfasst eine Hochspannungsstromquelle, Schalteinrichtungen und Messinstrumente. Die Hochspannungsstromquelle liefert Energie an das Schaltgerät, das die tatsächliche Unterbrechung durchführt, während die Instrumente die Unterbrechungseigenschaften messen und aufzeichnen.

2.1.3 Test und Analyse der Unterbrechungskenngrößen
Die Forschung zu Unterbrechungseigenschaften erfordert das Testen und Analysieren von Parametern wie Strom, Spannung und Zeit während des Unterbrechungsprozesses. Diese Parameter sind wichtige Indikatoren zur Bewertung der Unterbrechungsleistung. Strom und Spannung beschreiben das elektrische Verhalten während der Unterbrechung, während die Zeit die zeitlichen Dynamiken widerspiegelt. Die Analyse dieser Parameter offenbart kritische Informationen wie Trends in der Variation des Unterbrechungsstroms und -spannungen, die Dauer der Unterbrechung und die Gesamtleistung.

2.2 Forschungsmethoden und Testaufbau für Unterbrechungseigenschaften
Gängige Methoden zur Untersuchung der Unterbrechungseigenschaften umweltfreundlicher gasgefüllter RMUs umfassen konventionelle Unterbrechungstests und fortschrittliche numerische Simulationen. Konventionelle Tests beinhalten den Aufbau von Schalt- und Lastgeräten in einem Teststand, die Variation von Stromquellenparametern (Spannung, Strom usw.), die Beobachtung transitorischer Prozesse während der Unterbrechung und die Aufzeichnung von Parametern wie Strom, Spannung und Zeit für die Datenverarbeitung und -analyse. 

Im Vergleich zu konventionellen Tests bieten numerische Simulationen eine höhere Genauigkeit bei der Modellierung von Unterbrechungseigenschaften. Mit Computergestützten Simulations- und Modellierungstechniken lösen numerische Methoden wichtige physikalische Felder – wie elektrisches Feld, magnetisches Feld, Temperaturfeld und Strömungsfeld – während der Unterbrechung, wobei mehrere Faktoren wie Strom, Spannung, Elektrodenabstand und Umgebungstemperatur berücksichtigt werden. Darüber hinaus ermöglichen numerische Simulationen die Optimierung des RMU-Designs durch Anpassung der Materialeigenschaften und geometrischen Konfigurationen.
Für den Testaufbau können Hochspannungs-Gleichstromquellen und Hochleistungs-Kondensentladungseinheiten die notwendigen Hochspannungs- und Hochstrombedingungen bereitstellen. Hochgeschwindigkeits-Datenerfassungssysteme und -rekorder werden verwendet, um Unterbrechungsparameter präzise zu erfassen. Um Wiederholbarkeit und Genauigkeit sicherzustellen, muss der Testaufbau kalibriert und validiert werden.

2.3 Test und Analyse von Unterbrechungsstrom, -spannung und -zeit
Das Testen und Analysieren von Unterbrechungsstrom, -spannung und -zeit ist ein wesentlicher Teil der Untersuchung der Unterbrechungseigenschaften.
(1) Testziel: Durch das Testen und Analysieren von Unterbrechungsstrom, -spannung und -zeit sollen die Unterbrechungseigenschaften umweltfreundlicher gasgefüllter RMUs verstanden, ihre Leistung unter realen Betriebsbedingungen bewertet und eine Grundlage für die Nutzung und Verbesserung der Ausrüstung geschaffen werden.
(2) Testausrüstung: Digitale Amperemeter, Spannungswandler, Zeitmessgeräte, Oszilloskope und Datenerfassungssysteme werden verwendet, um eine genaue Messung von Strom, Spannung und Zeit während der Unterbrechung sicherzustellen.
(3) Testverfahren:

• Unterbrechungsstromtest: Führen Sie die Unterbrechung unter Standardtestbedingungen durch, zeichnen Sie die Stromformen auf und stellen Sie sicher, dass eine korrekte Verbindung zwischen der Testausrüstung und dem RMU besteht. Messen Sie die Stromänderungen mit Stromwandlern und digitalen Ampermetern.

• Unterbrechungsspannungstest: Führen Sie die Unterbrechung ebenfalls unter Standardbedingungen durch, zeichnen Sie die Spannungsformen auf und messen Sie die Spannungsänderungen mit Spannungswandlern und digitalen Voltmetern.

• Unterbrechungszeittest: Verwenden Sie Zeitmessgeräte, um die Zeitdauer vom Beginn bis zum Ende der Unterbrechungsoperation genau zu erfassen.

• Test des transitorischen Prozesses: Verwenden Sie Oszilloskope und Datenerfassungssysteme, um die transitorischen Strom- und Spannungsformen während der Unterbrechung zu erfassen, um die transitorischen Eigenschaften zu analysieren.

(4) Datenaufzeichnung und -analyse: Zeichnen Sie die Stromformen, Spannungsformen, Unterbrechungszeitdaten und transitorische Formen auf. Analysieren Sie, ob der Unterbrechungsstrom den ingenieurtechnischen Anforderungen entspricht, ob die Unterbrechungsspannung den Spezifikationen entspricht und ob die Unterbrechungszeit den Designkriterien genügt. Bewerten Sie den Einfluss transitorischer Prozesse auf die Leistung und Stabilität der Ausrüstung. Durch die oben genannten detaillierten Testverfahren wird eine umfassende Berücksichtigung aller relevanten Faktoren gewährleistet, was eine genaue Datenerfassung und tiefgehende Analyse ermöglicht. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Test und Analyse von Strom-, Spannungs- und Zeitparametern

Durch die Analyse von Tabelle 1 können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden:

• Es besteht eine bestimmte Beziehung zwischen dem Unterbrechungsstrom und der Spannung; im Allgemeinen steigt der Unterbrechungsstrom mit zunehmender Spannung.

• Die Unterbrechungszeit hängt sowohl vom Strom als auch von der Spannung ab; je höher der Strom und die Spannung, desto kürzer ist die Unterbrechungszeit.

• Während der Prüfung sollte darauf geachtet werden, den Bereich des Stroms und der Spannung während der Unterbrechung zu kontrollieren, um Ungenauigkeiten in den Prüfergebnissen durch Werte, die zu hoch oder zu niedrig sind, zu vermeiden. Zudem sollten auch andere Einflussfaktoren wie Umgebungstemperatur und Luftfeuchtigkeit berücksichtigt werden.

2.4 Analyse des elektromagnetischen Feldes während des Unterbrechungsprozesses
Für die Analyse des elektromagnetischen Feldes während des Unterbrechungsprozesses von umweltfreundlichen gasgefüllten Ringverteilern muss eine Prüfaufstellung eingerichtet werden, um Messungen und Analysen des elektromagnetischen Feldes durchzuführen. Im Experiment kann ein System zur Messung des elektromagnetischen Feldes eingerichtet werden, um das elektromagnetische Feld während des Unterbrechungsprozesses zu testen und aufzuzeichnen, wie in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2: Analyse des elektromagnetischen Feldes während des Unterbrechungsprozesses

Die Analyse der Variationen des elektromagnetischen Feldes während des Unterbrechungsprozesses auf Basis von Tabelle 2 zeigt, dass der Strom zum Zeitpunkt der Unterbrechung plötzlich auf Null fällt und die Magnetfeldstärke entsprechend stark abnimmt. Anschließend erholt sich die Magnetfeldstärke allmählich auf ihren vor-Unterbrechungs-Zustand. Die Analyse des elektromagnetischen Feldes kann wichtige Referenzdaten für das Design und die Optimierung umweltfreundlicher gasgefüllter Ringverteilwerke liefern.

3.Analyse der Forschungsergebnisse zu Bogen- und Unterbrechungseigenschaften
3.1 Datenanalyse und -verarbeitung der Parameter während der Bogen- und Unterbrechungsprozesse
Während der Bogen- und Unterbrechungstests wurden Parameter wie Strom, Spannung und Zeit separat gemessen, um die Bogen- und Unterbrechungseigenschaften zu analysieren. Bei der Datenverarbeitung wurden statistische Methoden angewendet, um den Mittelwert, die Standardabweichung und den Variationskoeffizienten für jeden Parameter zu berechnen.

① Die Bogentestdaten wurden analysiert und verarbeitet. Die durchschnittlichen Werte des Bogenstroms, der Spannung und der Zeit betrugen 8,5 kA, 4,2 kV und 2,5 ms, jeweils. Die Standardabweichungen und Variationskoeffizienten wurden ebenfalls berechnet, um die Verteilung und Stabilität der Testdaten zu verstehen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Standardabweichung des Bogenstroms 0,8 kA mit einem Variationskoeffizienten von 9,4 % betrug; die Standardabweichung der Bogen-Spannung 0,4 kV mit einem Variationskoeffizienten von 9,5 %; und die Standardabweichung der Bogenzeit 0,2 ms mit einem Variationskoeffizienten von 8,0 %. Dies deutet darauf hin, dass die Bogentestdaten eine relativ stabile Verteilung und hohe Zuverlässigkeit aufwiesen.

② Die Unterbrechungstestdaten wurden analysiert und verarbeitet. Die durchschnittlichen Werte des Unterbrechungsstroms, der Spannung und der Zeit betrugen 3,5 kA, 3,8 kV und 3,0 ms, jeweils. Ähnlich wurden auch hier die Standardabweichungen und Variationskoeffizienten berechnet. Die Ergebnisse zeigten, dass die Standardabweichung des Unterbrechungsstroms 0,5 kA mit einem Variationskoeffizienten von 14,3 % betrug; die Standardabweichung der Unterbrechungsspannung 0,3 kV mit einem Variationskoeffizienten von 7,9 %; und die Standardabweichung der Unterbrechungszeit 0,1 ms mit einem Variationskoeffizienten von 4,4 %. Dies deutet darauf hin, dass die Unterbrechungstestdaten relativ weniger stabil und weniger zuverlässig waren.

Basierend auf der oben genannten Datenanalyse kann geschlossen werden, dass die Zuverlässigkeit der Bogentestdaten höher ist als die der Unterbrechungstestdaten, möglicherweise aufgrund der komplexen elektromagnetischen Felder, die im Unterbrechungsprozess involviert sind, was eine weitere vertiefte Untersuchung rechtfertigt. Darüber hinaus kann die Beziehung zwischen Bogen- und Unterbrechungseigenschaften basierend auf den Testdaten weiter untersucht werden.

3.2 Analyse der Beziehung zwischen Bogen- und Unterbrechungseigenschaften
Durch die Analyse und Verarbeitung der Parameter sowohl aus dem Bogen- als auch aus dem Unterbrechungsprozess kann die Beziehung zwischen Bogen- und Unterbrechungseigenschaften weiter untersucht werden. Beide Eigenschaften sind wichtige Leistungsindikatoren umweltfreundlicher gasgefüllter Ringverteilwerke, und das Verständnis ihrer Wechselbeziehungen kann wertvolle Anleitung für das Design und die Optimierung bieten.

Aus Sicht der Bogen- und Unterbrechungseigenschaften beeinflussen Parameter wie Strom, Spannung und Zeit die beiden Prozesse unterschiedlich. Während des Bogens sind Bogenstrom und Dauer die primären Parameter, während die Spannung ebenfalls einen gewissen Einfluss hat. Im Gegensatz dazu ist während der Unterbrechung der Unterbrechungsstrom der dominante Parameter, wobei Zeit und Spannung ebenfalls eine Rolle spielen. Daher müssen bei der Analyse der Beziehung zwischen Bogen- und Unterbrechungseigenschaften ihre jeweiligen Schlüsselparameter getrennt berücksichtigt werden.

Die Datenanalyse zeigt eine bestimmte Korrelation zwischen Bogen- und Unterbrechungseigenschaften:

• Eine Erhöhung des Bogenstroms und der Spannung führt zu einer höheren Erzeugung von Bogennebeneffekten und einem höheren Energieverbrauch während des Bogens, was die Schwierigkeit der Unterbrechung erhöht.

• Eine Erhöhung des Unterbrechungsstroms führt zu einer höheren Bogenenergie während der Unterbrechung, was ebenfalls die Schwierigkeit der Unterbrechung erhöht.

Darüber hinaus zeigt die Analyse des elektromagnetischen Feldes während des Bogens und der Unterbrechung, dass elektromagnetische Felder beide Prozesse erheblich beeinflussen. Während des Bogens übt das elektromagnetische Feld eine eingeschränkte Kraft aus, die die Bogenausbreitung begrenzt. Während der Unterbrechung erzeugt das elektromagnetische Feld eine abstoßende Kraft, die den Bogen nach außen drückt und die Unterbrechungsleistung beeinflusst.

Diese Erkenntnisse deuten darauf hin, dass Bogen- und Unterbrechungseigenschaften miteinander verbunden sind und hauptsächlich durch ihre Schlüssel-Betriebsparameter und elektromagnetische Feldeffekte beeinflusst werden. Daher sollten bei der Konzeption und Optimierung umweltfreundlicher gasgefüllter Ringverteilwerke die Beziehungen zwischen Bogen- und Unterbrechungseigenschaften umfassend berücksichtigt und die Designs an spezifische Anwendungsszenarien angepasst werden, um optimale Leistungen zu erzielen.

4.Schlussfolgerung

Durch die Untersuchung der Bogen- und Unterbrechungseigenschaften umweltfreundlicher gasgefüllter Ringverteilwerke kann geschlussfolgert werden, dass diese Eigenschaften sich signifikant von denen traditioneller SF₆-gefüllter Ringverteilwerke unterscheiden. Umweltfreundliche gasgefüllte RMUs stellen strengere Anforderungen an Parameter wie Strom, Spannung und Zeit, was eine präzisere Konzeption und Optimierung erfordert. Darüber hinaus unterscheidet sich die Verteilung des elektromagnetischen Feldes während des Bogens und der Unterbrechung: während des Bogens ist das elektromagnetische Feld konzentrierter und intensiver, während es während der Unterbrechung gleichmäßiger ist.

Da die Anwendung umweltfreundlicher gasgefüllter Ringverteilwerke weiter zunimmt, könnte zukünftige Forschung sich auf folgende Aspekte konzentrieren:

• Optimierung der Konzeption umweltfreundlicher gasgefüllter RMUs durch Simulationsanalyse.

• Untersuchung der Bogen- und Unterbrechungseigenschaften unter verschiedenen Betriebsbedingungen.

• Erforschung des Anwendungspotenzials neuer umweltfreundlicher Gase in isolierten Ringverteilwerken.

Zusammengefasst sind diese Forschungsergebnisse von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung und Optimierung umweltfreundlicher gasisolierten Ringverteiler.