واحدهای حلقهای عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه (RMUs) تجهیزات مهم توزیع برق در سیستمهای الکتریکی هستند که ویژگیهای سبز، محیطزیستدوستانه و قابلیت اطمینان بالا را دارا میباشند. در طول عملیات، خصوصیات تشکیل و قطع قوس به طور قابل توجهی بر ایمنی RMUs عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه تأثیر میگذارد. بنابراین، تحقیقات عمیق در این زمینه برای تضمین عملکرد ایمن و پایدار سیستمهای برق اهمیت بسیاری دارد. این مقاله با هدف بررسی خصوصیات تشکیل و قطع قوس در RMUs عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه از طریق آزمونهای تجربی و تحلیل دادهها، به کاوش الگوها و ویژگیهای آن میپردازد و با هدف ارائه پشتیبانی نظری و راهنمایی فنی برای تحقیقات و توسعه چنین تجهیزاتی است.
1. تحقیق درباره خصوصیات تشکیل قوس در واحدهای حلقهای عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه
1.1 مفاهیم اساسی و عوامل مؤثر گازهای محیطزیستدوستانه
گازهای محیطزیستدوستانه به گازهایی اشاره دارند که لایه ازن را نمیخورند. نمونههای شایع شامل نیتروژن (N₂)، هوا فشرده خشک (بدون روغن و رطوبت) و گازهای جدید تخصصی هستند. RMUs عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه مزایایی مانند محیطزیستدوستانه بودن، ایمنی و قابلیت اطمینان را ارائه میدهند و به طور گستردهای در سیستمهای برق استفاده میشوند. بررسی خصوصیات تشکیل قوس در آنها نیازمند درک مفاهیم اساسی و عوامل مؤثر گازهای محیطزیستدوستانه است.
ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی، ساختار مولکولی، دما، فشار، رطوبت و عوامل دیگر تأثیرگذار بر عملکرد عایقسازی و رفتار تشکیل قوس این گازها هستند که باید تجربی بررسی شوند. علاوه بر این، چالشهای عملی مانند مصرف حجمی گاز و قابلیت بازیافت باید بررسی شوند. بنابراین، مطالعه عمیق مفاهیم اساسی و عوامل مؤثر گازهای محیطزیستدوستانه برای تحقیق در خصوص خصوصیات تشکیل قوس در RMUs عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه ضروری است.
1.2 روشها و تنظیمات آزمایشی برای خصوصیات تشکیل قوس
بررسی خصوصیات تشکیل قوس نیازمند ایجاد یک روش آزمون استاندارد و تنظیمات آزمایشی است. روشهای آزمون معمولاً شامل آزمونهای الکتریکی بر اساس پدیدههای قوس و تجزیه و تحلیل شیمیایی هستند. تنظیمات آزمایشی باید تکرارپذیری، دقت و ایمنی را تضمین کنند و معمولاً شامل منبع ولتاژ بالا، کامره قوس، ابزارهای اندازهگیری و سیستم جمعآوری داده هستند. کامره قوس عنصر کلیدی است که فرآیند تشکیل قوس در یک RMU عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه را شبیهسازی میکند. برای مطالعه موثر خصوصیات قوس، تنظیمات باید سطوح مناسب ولتاژ و جریان را ارائه دهد و ثبت زنده پارامترهایی مانند ولتاژ قوس، جریان و مدت زمان قوس را ممکن سازد. همچنین، اقدامات ایمنی کافی باید برای جلوگیری از حوادث در طول آزمون انجام شود.
1.3 آزمون و تحلیل جریان، ولتاژ و مدت زمان قوس
در مطالعات خصوصیات قوس، جریان قوس، ولتاژ قوس و مدت زمان قوس پارامترهای کلیدی هستند. جریان قوس به مقدار جریانی که در حین تشکیل قوس در ناحیه قوس جریان مییابد اشاره دارد؛ ولتاژ قوس اختلاف پتانسیل در ناحیه قوس است؛ و مدت زمان قوس بازه زمانی از تشکیل تا خاموش شدن قوس است. اندازهگیری این پارامترها نیازمند ابزارهای تخصصی مانند تولیدکننده ولتاژ بالا، ترانسفورماتورهای جریان، ترانسفورماتورهای ولتاژ و اسکوپهای دیجیتال است. آزمون تجربی و جمعآوری دادهها در RMUs عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه و تحلیل دادهها کمک میکند تا روندها و روابط متقابل را آشکار کند و درک عمیقتری از خصوصیات تشکیل قوس فراهم کند و دادههای پایهای برای تحقیقات بیشتر ارائه دهد.
1.4 تحلیل محصولات جانبی در حین تشکیل قوس
در حین تشکیل قوس در RMUs عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه، محصولات مختلف جانبی مانند اکسیدها، فلوریدها، کلریدها و دود تولید میشوند که ممکن است خطراتی برای محیط زیست و سلامت انسانی ایجاد کنند. در حال حاضر، دو رویکرد اصلی برای تحلیل محصولات جانبی قوس وجود دارد: تجزیه و تحلیل تجربی و شبیهسازی عددی. تجزیه و تحلیل تجربی شامل شبیهسازی فرآیند تشکیل قوس در آزمایشگاه، جمعآوری نمونههای محصولات جانبی و انجام تجزیه و تحلیل شیمیایی برای تعیین توزیع گونهها و غلظتها است. شبیهسازی عددی از مدلهای محاسباتی برای پیشبینی توزیع محصولات جانبی و مسیرهای واکنش استفاده میکند.
روشهای تجزیه و تحلیل مانند کروماتوگرافی، طیفسنجی جرمی و میکروسکوپی الکترونی در تجزیه و تحلیل تجربی استفاده میشوند. در شبیهسازی عددی، روشهایی مانند تجزیه و تحلیل المان محدود و CFD (دینامیک سیالات محاسباتی) برای مدلسازی توزیع محصولات جانبی و مکانیسمهای واکنش شیمیایی در حین تشکیل قوس استفاده میشوند. نتایج تجزیه و تحلیل محصولات جانبی درک بهتری از واکنشهای شیمیایی و تبدیل انرژی در حین تشکیل قوس فراهم میکند و پشتیبانی نظری و فنی برای طراحی و کاربرد RMUs عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه و همچنین دادههای مرجع برای 监测和人员安全提供支持。
2. 环保气体绝缘环网柜的中断特性研究
2.1 中断现象的基本概念和影响因素
2.1.1 中断测试方法
中断测试是研究环保气体绝缘环网柜(RMUs)中断特性的关键步骤。通常采用传统实验方法或数值模拟进行。传统方法涉及建立中断测试平台,并通过改变测试条件(如电流、电压)来观察中断行为并收集实验数据。另一方面,数值模拟使用计算机模型来模拟中断过程中的物理现象,能够快速生成大量数据集并预测中断性能。
2. تحقیق درباره خصوصیات قطع در واحدهای حلقهای عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه
2.1 مفاهیم اساسی و عوامل مؤثر پدیدههای قطع
2.1.1 روشهای آزمون قطع
آزمون قطع مرحلهای کلیدی در مطالعه خصوصیات قطع RMUs عایقشده با گاز محیطزیستدوستانه است. معمولاً این آزمونها با استفاده از روشهای آزمایشی سنتی یا شبیهسازی عددی انجام میشود. روشهای سنتی شامل ساخت یک پلتفرم آزمون قطع و تغییر شرایط آزمون (مانند جریان و ولتاژ) برای مشاهده رفتار قطع و جمعآوری دادههای آزمایشی است. از طرف دیگر، شبیهسازی عددی از مدلهای کامپیوتری برای شبیهسازی پدیدههای فیزیکی در حین قطع استفاده میکند که میتواند به سرعت مجموعه دادههای بزرگی را تولید کند و عملکرد قطع را پیشبینی کند.
۲.۱.۲ تنظیم آزمایش
برای مطالعه ویژگیهای قطع، باید یک ساختار آزمایشی اختصاصی طراحی و ساخته شود. این ساختار شامل تجهیزات تغذیه با ولتاژ بالا، تجهیزات کلیدزنی و دستگاههای اندازهگیری است. منبع تغذیه با ولتاژ بالا انرژی را به دستگاه کلیدزنی ارائه میدهد که عملیات قطع را انجام میدهد، در حالی که دستگاهها ویژگیهای قطع را اندازهگیری و ضبط میکنند.
۲.۱.۳ آزمایش و تحلیل پارامترهای مشخصه قطع
تحقیق درباره ویژگیهای قطع نیازمند آزمایش و تحلیل پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ و زمان در طول فرآیند قطع است. این پارامترها نشانگرهای کلیدی برای ارزیابی عملکرد قطع هستند. جریان و ولتاژ رفتار الکتریکی در طول قطع را توصیف میکنند، در حالی که زمان دینامیک زمانی را نشان میدهد. تحلیل این پارامترها اطلاعات مهمی مانند روندهای تغییر جریان و ولتاژ قطع، مدت زمان قطع و عملکرد کلی را آشکار میسازد.
۲.۲ روشهای تحقیق و تنظیم آزمایش برای ویژگیهای قطع
روشهای معمول برای مطالعه ویژگیهای قطع RMUهای عایقبندی گازی محیطزیستی شامل آزمایشهای قطع معمولی و شبیهسازیهای عددی پیشرفته است. آزمایشهای معمولی شامل تنظیم دستگاههای کلیدزنی و بار در یک ساختار آزمایشی، تغییر پارامترهای منبع تغذیه (ولتاژ، جریان و غیره)، مشاهده فرآیندهای گذرا در طول قطع و ضبط پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ و زمان برای پردازش و تحلیل دادهها است.
در مقایسه با آزمایشهای معمولی، شبیهسازیهای عددی دقت بیشتری در مدلسازی ویژگیهای قطع ارائه میدهند. با استفاده از تکنیکهای شبیهسازی و مدلسازی کامپیوتری، روشهای عددی مسائل فیزیکی کلیدی مانند میدان الکتریکی، میدان مغناطیسی، میدان دما و میدان جریان در طول قطع را حل میکنند، در حالی که عوامل مختلفی مانند جریان، ولتاژ، فاصله الکترودها و دمای محیط را در نظر میگیرند. علاوه بر این، شبیهسازیهای عددی امکان بهینهسازی طراحی RMU را با تنظیم خصوصیات مواد و ساختارهای هندسی فراهم میکنند.
برای تنظیم آزمایش، منابع تغذیه DC با ولتاژ بالا و واحدهای تخلیه خازن با توان بالا میتوانند شرایط لازم ولتاژ و جریان بالا را فراهم کنند. سیستمهای ضبط داده با سرعت بالا و ضبطکنندهها برای ضبط دقیق پارامترهای قطع استفاده میشوند. برای اطمینان از تکرارپذیری و دقت، باید ساختار آزمایشی کالیبره و اعتبارسنجی شود.
۲.۳ آزمایش و تحلیل جریان، ولتاژ و زمان قطع
آزمایش و تحلیل جریان، ولتاژ و زمان قطع بخش مهمی از مطالعه ویژگیهای قطع است.
(۱) هدف آزمایش: برای درک ویژگیهای قطع RMUهای عایقبندی گازی محیطزیستی با آزمایش و تحلیل جریان، ولتاژ و زمان قطع، ارزیابی عملکرد آنها در شرایط عملیاتی واقعی و ارائه پایهای برای استفاده و بهبود تجهیزات.
(۲) تجهیزات آزمایش: آمپرمترهای دیجیتال، ترانسفورماتورهای ولتاژ، دستگاههای اندازهگیری زمان، اسکوسکوپها و سیستمهای ضبط داده برای اطمینان از اندازهگیری دقیق جریان، ولتاژ و زمان در طول قطع استفاده میشوند.
(۳) رویههای آزمایش:
آزمایش جریان قطع: قطع را تحت شرایط آزمایشی استاندارد انجام دهید، موجهای جریان را ضبط کنید و اتصال صحیح بین تجهیزات آزمایشی و RMU را تضمین کنید. تغییرات جریان را با استفاده از ترانسفورماتورهای جریان و آمپرمترهای دیجیتال اندازهگیری کنید.
آزمایش ولتاژ قطع: به طور مشابه، قطع را تحت شرایط استاندارد انجام دهید، موجهای ولتاژ را ضبط کنید و تغییرات ولتاژ را با استفاده از ترانسفورماتورهای ولتاژ و ولتمترهای دیجیتال اندازهگیری کنید.
آزمایش زمان قطع: از دستگاههای اندازهگیری زمان برای ضبط دقیق بازه زمانی از شروع تا پایان عملیات قطع استفاده کنید.
آزمایش فرآیند گذرا: از اسکوسکوپها و سیستمهای ضبط داده برای ضبط موجهای جریان و ولتاژ گذرا در طول قطع برای تحلیل ویژگیهای گذرا استفاده کنید.
(۴) ضبط و تحلیل دادهها: موجهای جریان، موجهای ولتاژ، دادههای زمان قطع و موجهای گذرا را ضبط کنید. تحلیل کنید که آیا جریان قطع مطابق با الزامات مهندسی است، آیا ولتاژ قطع با مشخصات مطابقت دارد و آیا زمان قطع مطابق با معیارهای طراحی است. تأثیر فرآیندهای گذرا بر عملکرد و ثبات تجهیزات را ارزیابی کنید. از طریق رویههای آزمایشی مفصل فوق، در نظر گرفتن تمام عوامل مرتبط مطمئن میشود که دادههای دقیق جمعآوری شده و تحلیل عمیق صورت میگیرد. نتایج در جدول ۱ نشان داده شده است.
جدول ۱: آزمایش و تحلیل پارامترهای جریان، ولتاژ و زمان
| شماره سریال | جریان (آمپر) | ولتاژ (کیلوولت) | زمان (میکروثانیه) |
| ۱ | ۱۰۰ | ۱۲ | ۱۲۰ |
| ۲ | ۱۲۰ | ۱۱.۵ | ۱۵۰ |
| ۳ | ۸۰ | ۱۳ | ۱۰۰ |
| ۴ | ۱۱۰ | ۱۱.۸ | ۱۳۰ |
| ۵ | ۹۰ | ۱۲.۵ | ۱۱۰ |
با تحلیل جدول ۱، میتوان نتایج زیر را استخراج کرد:
ارتباطی بین جریان قطع و ولتاژ وجود دارد؛ به طور کلی، با افزایش ولتاژ، جریان قطع نیز افزایش مییابد.
زمان قطع با هر دو پارامتر جریان و ولتاژ مرتبط است؛ هرچه جریان و ولتاژ بیشتر باشد، زمان قطع کوتاهتر خواهد بود.
در حین آزمون، باید توجه داشت تا محدوده جریان و ولتاژ در زمان قطع کنترل شود تا عدم دقت در نتایج آزمون به دلیل مقادیر بسیار بالا یا پایین جلوگیری شود. علاوه بر این، عوامل مؤثر دیگری مانند دمای محیط و رطوبت نیز باید در نظر گرفته شوند.
۲.۴ تحلیل میدان الکترومغناطیسی در فرآیند قطع
برای تحلیل میدان الکترومغناطیسی در فرآیند قطع واحدهای حلقهای عایقبندی شده با گاز محیطزیستی، باید یک سیستم آزمون برای انجام اندازهگیری و تحلیل میدان الکترومغناطیسی ایجاد شود. در آزمایش، میتوان سیستم اندازهگیری میدان الکترومغناطیسی را برای تست و ضبط میدان الکترومغناطیسی در فرآیند قطع تنظیم کرد، همانطور که در جدول ۲ نشان داده شده است.
جدول ۲: تحلیل میدان الکترومغناطیسی در فرآیند قطع
| زمان (میکروثانیه) | جریان (آمپر) | ولتاژ (کیلوولت) | شدت میدان مغناطیسی (تسلا) |
| 0 | 0 | 0 | 0.001 |
| 5 | 500 | 145 | 0.015 |
| 10 | 1000 | 220 | 0.025 |
| 15 | 1500 | 299 | 0.030 |
| 20 | 2000 | 370 | 0.035 |
| 25 | 2500 | 440 | 0.040 |
تحلیل تغییرات میدان الکترومغناطیسی در طول فرآیند قطع بر اساس جدول ۲ نشان میدهد که در لحظه قطع، جریان به صفر سقوط میکند و شدت میدان مغناطیسی به طور متناسب کاهش مییابد. سپس شدت میدان مغناطیسی به تدریج به حالت قبل از قطع بازمیگردد. تحلیل میدان الکترومغناطیسی میتواند دادههای مرجع مهمی برای طراحی و بهینهسازی واحدهای حلقهای عایقبندی شده با گاز محیطدوستانه ارائه دهد.
۳. تحلیل نتایج تحقیقاتی ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع
۳.۱ تحلیل و پردازش دادههای پارامترهای در طول فرآیند قوس الکتریکی و قطع
در طول آزمایشهای قوس الکتریکی و قطع، پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ و زمان به طور جداگانه اندازهگیری شدند تا ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع مورد تحلیل قرار گیرند. در پردازش دادهها، روشهای آماری برای محاسبه میانگین، انحراف استاندارد و ضریب تغییرات هر پارامتر به کار گرفته شد.
① دادههای آزمایش قوس الکتریکی تحلیل و پردازش شدند. میانگین مقادیر جریان قوس الکتریکی، ولتاژ و زمان به ترتیب ۸.۵ کیلوآمپر، ۴.۲ کیلوولت و ۲.۵ میلیثانیه بود. انحراف استاندارد و ضریب تغییرات نیز محاسبه شد تا توزیع و ثبات دادههای آزمایشی درک شود. نتایج نشان داد که انحراف استاندارد جریان قوس الکتریکی ۰.۸ کیلوآمپر با ضریب تغییرات ۹.۴٪ بود؛ انحراف استاندارد ولتاژ قوس الکتریکی ۰.۴ کیلوولت با ضریب تغییرات ۹.۵٪ بود؛ و انحراف استاندارد زمان قوس الکتریکی ۰.۲ میلیثانیه با ضریب تغییرات ۸.۰٪ بود. این نشان میدهد که دادههای آزمایش قوس الکتریکی توزیع نسبتاً پایدار و قابل اعتمادی داشتند.
② دادههای آزمایش قطع تحلیل و پردازش شدند. میانگین مقادیر جریان قطع، ولتاژ و زمان به ترتیب ۳.۵ کیلوآمپر، ۳.۸ کیلوولت و ۳.۰ میلیثانیه بود. به طور مشابه، انحراف استاندارد و ضریب تغییرات محاسبه شد. نتایج نشان داد که انحراف استاندارد جریان قطع ۰.۵ کیلوآمپر با ضریب تغییرات ۱۴.۳٪ بود؛ انحراف استاندارد ولتاژ قطع ۰.۳ کیلوولت با ضریب تغییرات ۷.۹٪ بود؛ و انحراف استاندارد زمان قطع ۰.۱ میلیثانیه با ضریب تغییرات ۴.۴٪ بود. این نشان میدهد که دادههای آزمایش قطع نسبتاً کمتر پایدار و قابل اعتماد بودند.
بر اساس تحلیل دادههای فوق، میتوان نتیجه گرفت که قابلیت اعتماد دادههای آزمایش قوس الکتریکی بالاتر از دادههای آزمایش قطع است. این ممکن است به دلیل میدانهای الکترومغناطیسی پیچیده موجود در فرآیند قطع باشد که نیازمند بررسیهای بیشتر است. علاوه بر این، رابطه بین ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع میتواند بر اساس دادههای آزمایشی مورد بررسی قرار گیرد.
۳.۲ تحلیل رابطه بین ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع
با تحلیل و پردازش پارامترهای فرآیندهای قوس الکتریکی و قطع، رابطه بین ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع میتواند مورد مطالعه قرار گیرد. هر دو ویژگی قوس الکتریکی و قطع شاخصهای عملکردی کلیدی واحدهای حلقهای عایقبندی شده با گاز محیطدوستانه هستند و درک رابطه بین آنها میتواند راهنماییهای ارزشمندی برای طراحی و بهینهسازی ارائه دهد.
از دیدگاه ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع، پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ و زمان به طور متفاوت روی دو فرآیند تأثیر میگذارند. در طول قوس الکتریکی، جریان و مدت زمان قوس الکتریکی پارامترهای اصلی هستند، در حالی که ولتاژ نیز تأثیری دارد. در مقابل، در طول قطع، جریان قطع پارامتر غالب است، در حالی که زمان و ولتاژ نیز نقشی دارند. بنابراین، در تحلیل رابطه بین ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع، باید پارامترهای کلیدی هر یک به طور جداگانه در نظر گرفته شوند.
تحلیل دادهها نشان میدهد که رابطهای بین ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع وجود دارد:
افزایش جریان و ولتاژ قوس الکتریکی منجر به تولید بیشتر محصولات جانبی قوس و مصرف انرژی بیشتر در طول قوس میشود که در نتیجه سختی قطع را افزایش میدهد.
افزایش جریان قطع منجر به افزایش انرژی قوس در طول قطع میشود که نیز سختی قطع را افزایش میدهد.
به علاوه، تحلیل میدان الکترومغناطیسی در طول قوس الکتریکی و قطع نشان میدهد که میدانهای الکترومغناطیسی به طور قابل توجهی روی هر دو فرآیند تأثیر میگذارند. در طول قوس الکتریکی، میدان الکترومغناطیسی نیروی محدودکنندهای ایجاد میکند که از پخش قوس جلوگیری میکند. در طول قطع، میدان الکترومغناطیسی نیروی دفعی ایجاد میکند که قوس را به خارج میراند و عملکرد قطع را تحت تأثیر قرار میدهد.
این یافتهها نشان میدهند که ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع به یکدیگر مرتبط هستند و به طور اصلی توسط پارامترهای عملیاتی کلیدی و تأثیرات میدان الکترومغناطیسی تحت تأثیر قرار میگیرند. بنابراین، در طراحی و بهینهسازی واحدهای حلقهای عایقبندی شده با گاز محیطدوستانه، باید رابطه بین ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع به طور جامع مورد در نظر گرفته شود و طراحیها باید برای سناریوهای کاربردی خاص تنظیم شوند تا عملکرد بهینهای داشته باشند.
۴. نتیجهگیری
با مطالعه ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع واحدهای حلقهای عایقبندی شده با گاز محیطدوستانه، میتوان نتیجه گرفت که این ویژگیها به طور قابل توجهی با واحدهای حلقهای عایقبندی شده با SF₆ متفاوت هستند. واحدهای حلقهای عایقبندی شده با گاز محیطدوستانه نیازمند محدودیتهای دقیقتری برای پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ و زمان هستند که نیازمند طراحی و بهینهسازی دقیقتری میباشند. علاوه بر این، توزیع میدان الکترومغناطیسی در طول قوس الکتریکی و قطع متفاوت است: در طول قوس الکتریکی، میدان الکترومغناطیسی بیشتر متمرکز و شدید است، در حالی که در طول قطع، میدان الکترومغناطیسی بیشتر یکنواخت است.
با ادامه گسترش کاربرد واحدهای حلقهای عایقبندی شده با گاز محیطدوستانه، تحقیقات آینده میتواند بر روی جنبههای زیر تمرکز کند:
بهینهسازی طراحی واحدهای حلقهای عایقبندی شده با گاز محیطدوستانه از طریق تحلیل شبیهسازی.
بررسی ویژگیهای قوس الکتریکی و قطع در شرایط عملیاتی مختلف.
بررسی پتانسیل کاربردی گازهای محیطدوستانه جدید در واحدهای حلقهای عایقبندی شده.
در نتیجه، این یافتههای تحقیقی برای پیشرفت توسعه و بهینهسازی واحدهای حلقهای عایقشده با گاز دوستدار محیط زیست از اهمیت بسزایی برخوردار است.