پژوهش درباره ویژگی‌های قوس‌گذاری و قطع سازهای حلقه اصلی عایق‌بندی شده با گاز محیط‌زیستی

واحدات حلقه‌ای عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه (RMUs) تجهیزات مهم توزیع برق در سیستم‌های الکتریکی هستند که دارای ویژگی‌های سبز، محیط‌زیست‌دوستانه و قابلیت اطمینان بالا می‌باشند. در طول عملکرد، ویژگی‌های تشکیل و قطع قوس به طور قابل توجهی بر ایمنی RMUs عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه تأثیر می‌گذارند. بنابراین، پژوهش عمیق در این زمینه برای تضمین عملکرد ایمن و پایدار سیستم‌های توان الکتریکی اهمیت بسزایی دارد. این مقاله با هدف بررسی ویژگی‌های تشکیل و قطع قوس در RMUs عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه از طریق آزمایش‌های آزمایشگاهی و تحلیل داده‌ها، به کشف الگوها و ویژگی‌های آن‌ها می‌پردازد، با هدف ارائه پشتیبانی نظری و راهنمایی فنی برای تحقیق و توسعه چنین تجهیزاتی.

۱. پژوهش بر روی ویژگی‌های تشکیل قوس در واحد‌های حلقه‌ای عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه

۱.۱ مفاهیم پایه و عوامل مؤثر گازهای محیط‌زیست‌دوستانه

گازهای محیط‌زیست‌دوستانه به گازهایی اشاره دارند که لایه ازن را تخریب نمی‌کنند. نمونه‌های شایع شامل نیتروژن (N₂)، هوای خشک تحت فشار (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 گسترده در سیستم‌های توان استفاده می‌شوند. بررسی ویژگی‌های تشکیل قوس آن‌ها نیازمند درک مفاهیم پایه و عوامل مؤثر گازهای محیط‌زیست‌دوستانه است. 

خواص فیزیکی و شیمیایی، ساختار مولکولی، دما، فشار، رطوبت و عوامل دیگر همه تأثیری بر عملکرد عایق‌بندی و رفتار تشکیل قوس این گازها دارند که باید به صورت آزمایشی بررسی شوند. علاوه بر این، چالش‌های عملی مانند مقدار مصرف گاز و قابلیت بازیافت باید مد نظر قرار گیرد. بنابراین، مطالعه عمیق مفاهیم پایه و عوامل مؤثر گازهای محیط‌زیست‌دوستانه برای تحقیق در مورد ویژگی‌های تشکیل قوس در RMUs عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه ضروری است.

۱.۲ روش‌های پژوهش و تنظیم آزمایش برای ویژگی‌های تشکیل قوس

بررسی ویژگی‌های تشکیل قوس نیازمند ایجاد یک روش آزمایشی استاندارد و تنظیم آزمایشگاهی است. روش‌های آزمایشی معمولاً شامل آزمایش‌های الکتریکی بر اساس پدیده‌های قوس و تجزیه و تحلیل شیمیایی می‌باشد. تنظیم آزمایش باید تکرارپذیری، دقت و ایمنی را تضمین کند و معمولاً شامل منبع ولتاژ بالا، کامره قوس، ابزارهای اندازه‌گیری و سیستم ثبت داده‌ها می‌باشد. کامره قوس عنصر کلیدی است که فرآیند تشکیل قوس در داخل RMU عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه را شبیه‌سازی می‌کند. برای مطالعه موثر ویژگی‌های قوس، تنظیم باید سطوح مناسب ولتاژ و جریان را ارائه دهد و ثبت واقعی پارامترهایی مانند ولتاژ قوس، جریان و مدت زمان قوس و محصولات جانبی را امکان‌پذیر کند. همچنین باید اقدامات ایمنی کافی برای جلوگیری از حوادث در طول آزمایش انجام شود.

۱.۳ آزمایش و تحلیل جریان، ولتاژ و مدت زمان قوس
در مطالعه ویژگی‌های قوس، جریان قوس، ولتاژ قوس و مدت زمان قوس پارامترهای کلیدی هستند. جریان قوس به مقدار جریانی که در حین تشکیل قوس از منطقه قوس عبور می‌کند اشاره دارد؛ ولتاژ قوس اختلاف پتانسیل در منطقه قوس است؛ و مدت زمان قوس زمانی است که از تشکیل تا خاتمه قوس می‌گذرد. اندازه‌گیری این پارامترها نیازمند ابزارهای تخصصی مانند تولیدکننده‌های ولتاژ بالا، ترانسفورماتورهای جریان، ترانسفورماتورهای ولتاژ و اسکوپ‌های دیجیتال است. آزمایش و جمع‌آوری داده‌ها از این پارامترها در RMUs عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه و تحلیل داده‌ها کمک می‌کند به کشف روندها و روابط متقابل، و در نتیجه درک عمیق‌تر از ویژگی‌های تشکیل قوس و ارائه داده‌های پایه برای تحقیقات بیشتر.

۱.۴ تحلیل محصولات جانبی در حین تشکیل قوس
در حین تشکیل قوس در RMUs عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه، محصولات مختلفی 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: تحلیل آزمایشگاهی و شبیه‌سازی عددی. تحلیل آزمایشگاهی شامل شبیه‌سازی فرآیند تشکیل قوس در آزمایشگاه، جمع‌آوری نمونه‌های محصولات جانبی و انجام 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 تحلیلی مانند کروماتوگرافی، طیف‌سنجی جرمی و میکروسکوپی الکترونی در تحلیل آزمایشگاهی استفاده می‌شوند. در شبیه‌سازی عددی، روش‌هایی مانند تحلیل المان محدود و CFD (دینامیک سیالات محاسباتی) برای مدل‌سازی توزیع محصولات جانبی و مکانیسم‌های واکنش شیمیایی در حین تشکیل قوس استفاده می‌شوند. نتایج تحلیل محصولات جانبی درک عمیق‌تر از واکنش‌های شیمیایی و تبدیل انرژی در حین تشکیل قوس را فراهم می‌کند و پشتیبانی نظری و فنی برای طراحی و کاربرد RMUs عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه و داده‌های مرجع برای نظارت محیطی و ایمنی پرسنل ارائه می‌دهد.

۲. پژوهش بر روی ویژگی‌های قطع در واحد‌های حلقه‌ای عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه

۲.۱ مفاهیم پایه و عوامل مؤثر پدیده‌های قطع
۲.۱.۱ روش‌های آزمایش قطع
آزمایش قطع مرحله‌ای کلیدی در مطالعه ویژگی‌های قطع RMUs عایق‌شده با گاز محیط‌زیست‌دوستانه. این آزمایش معمولاً با استفاده از روش‌های آزمایشی سنتی یا شبیه‌سازی عددی انجام می‌شود. روش‌های سنتی شامل ساخت یک پلتفرم آزمایش قطع و تغییر شرایط آزمایش (مانند جریان، ولتاژ) برای مشاهده رفتار قطع و جمع‌آوری داده‌های آزمایشی است. در مقابل، شبیه‌سازی عددی از مدل‌های کامپیوتری برای شبیه‌سازی پدیده‌های فیزیکی در حین قطع استفاده می‌کند که امکان تولید سریع داده‌های بزرگ و پیش‌بینی عملکرد قطع را فراهم می‌کند.

۲.۱.۲ تنظیم آزمایش
برای مطالعه ویژگی‌های قطع، باید یک تنظیم آزمایشی اختصاصی طراحی و ساخته شود. این تنظیم شامل تجهیزات تامین انرژی با فشار بالا، تجهیزات جابجایی و دستگاه‌های اندازه‌گیری است. تأمین کننده انرژی با فشار بالا انرژی را به دستگاه جابجایی می‌دهد که عملیات قطع واقعی را انجام می‌دهد، در حالی که دستگاه‌ها ویژگی‌های قطع را اندازه‌گیری و ضبط می‌کنند.

۲.۱.۳ آزمایش و تحلیل پارامترهای ویژگی‌های قطع
تحقیق در مورد ویژگی‌های قطع نیازمند آزمایش و تحلیل پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ و زمان در طول عملیات 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 پویایی‌های زمانی را منعکس می‌کند. تحلیل این پارامترها اطلاعات مهمی مانند روندهای تغییر جریان و ولتاژ قطع، مدت زمان قطع و عملکرد کلی را مشخص می‌کند.

۲.۲ روش‌های تحقیق و تنظیم آزمایشی برای ویژگی‌های قطع
روش‌های معمول برای مطالعه ویژگی‌های قطع RMU‌های گازی-معاینه با محیط زیست‌دوستانه شامل آزمایش‌های قطع متعارف و شبیه‌سازی‌های عددی پیشرفته است. آزمایش‌های متعارف شامل تنظیم دستگاه‌های جابجایی و بار در یک دستگاه آزمایشی، تغییر پارامترهای تامین کننده انرژی (ولتاژ، جریان و غیره)، مشاهده فرآیندهای موقت در طول قطع و ضبط پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ و زمان برای پردازش و تحلیل داده‌ها است. 

در مقایسه با آزمایش‌های متعارف، 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، مغناطیسی، دما و جریان در طول قطع را حل می‌کنند، در حالی که عوامل متعددی مانند جریان، ولتاژ، فاصله الکترود و دمای محیط را در نظر می‌گیرند. علاوه بر این، شبیه‌سازی‌های عددی اجازه بهینه‌سازی طراحی RMU را با تنظیم خصوصیات مواد و پیکربندی‌های هندسی می‌دهند.
برای تنظیم آزمایشی، تأمین‌کنندگان انرژی DC با فشار بالا و واحد‌های تخلیه خازن با توان بالا می‌توانند شرایط لازم با فشار 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، تنظیم آزمایشی باید 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 گازی-معاینه با محیط زیست‌دوستانه از طریق آزمایش و تحلیل جریان، ولتاژ و زمان قطع، ارزیابی عملکرد آنها در شرایط واقعی کاری 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 داده، موج‌های جریان را ضبط کرده 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 داده، موج‌های ولتاژ را ضبط کرده و تغییرات ولتاژ را با استفاده از ترانسفورماتورهای ولتاژ و ولتمترهای دیجیتال اندازه‌گیری کنید.

• آزمایش زمان قطع: از دستگاه‌های اندازه‌گیری زمان برای ضبط دقیق فاصله زمانی از شروع تا پایان عملیات قطع استفاده کنید.

• آزمایش فرآیند موقت: از اسکوسکوپ‌ها و سیستم‌های ضبط داده برای ضبط موج‌های جریان و ولتاژ موقت در طول قطع برای تحلیل ویژگی‌های موقت استفاده کنید.

(۴) ضبط و تحلیل داده‌ها: موج‌های جریان، موج‌های ولتاژ، داده‌های زمان قطع و موج‌های موقت را ضبط کنید. تحلیل کنید که آیا جریان قطع با الزامات مهندسی مطابقت دارد، آیا ولتاژ قطع با مشخصات مطابقت دارد و آیا زمان قطع با معیارهای طراحی مطابقت دارد. تأثیر فرآیندهای موقت بر عملکرد و ثبات تجهیزات را ارزیابی کنید. از طریق رویه‌های آزمایشی مفصل فوق، توجه کامل به تمام عوامل مرتبط اطمینان حاصل می‌کند از جمع‌آوری داده‌های دقیق و تحلیل عمیق. نتایج در جدول ۱ نشان داده شده است.

جدول ۱: آزمایش و تحلیل پارامترهای جریان، ولتاژ و زمان

با تحلیل جدول ۱، می‌توان نتایج زیر را به دست آورد:

• ارتباطی بین جریان قطع و ولتاژ وجود دارد؛ عموماً، با افزایش ولتاژ، جریان قطع نیز افزایش می‌یابد.

• مدت زمان قطع با هر دو عامل جریان و ولتاژ مرتبط است؛ با افزایش جریان و ولتاژ، زمان قطع کوتاه‌تر می‌شود.

• در طول آزمایش، باید به کنترل محدوده جریان و ولتاژ در حین قطع دقت شود تا از خطاهای ناشی از مقادیر بسیار بالا یا پایین جلوگیری شود. علاوه بر این، عوامل تأثیرگذار دیگر مانند دمای محیط و رطوبت نیز باید مورد توجه قرار گیرند.

۲.۴ تحلیل میدان الکترومغناطیسی در فرآیند قطع
برای تحلیل میدان الکترومغناطیسی در فرآیند قطع واحد‌های حلقه اصلی گازی محیط‌زیست‌دوستانه، باید یک تنظیم آزمایشی برای انجام اندازه‌گیری‌ها و تحلیل میدان الکترومغناطیسی ایجاد شود. در آزمایش، می‌توان سیستمی برای اندازه‌گیری میدان الکترومغناطیسی ایجاد کرد تا میدان الکترومغناطیسی در حین فرآیند قطع را تست و ثبت کند، همانطور که در جدول ۲ نشان داده شده است.

جدول ۲: تحلیل میدان الکترومغناطیسی در حین فرآیند قطع

تحلیل تغییرات میدان الکترومغناطیسی در طول فرآیند قطع بر اساس جدول ۲ نشان می‌دهد که در لحظه قطع، جریان به صورت ناگهانی به صفر می‌رسد و شدت میدان مغناطیسی نیز به طور متناسب کاهش می‌یابد. سپس شدت میدان مغناطیسی به آرامی به حالت قبل از قطع بازمی‌گردد. تحلیل میدان الکترومغناطیسی می‌تواند داده‌های مرجع مهمی برای طراحی و بهینه‌سازی واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز‌های محیط‌زیستی فراهم کند.

۳. تحلیل نتایج تحقیقاتی ویژگی‌های قوس الکتریکی و قطع
۳.۱ تحلیل و پردازش پارامترها در طول فرآیند قوس الکتریکی و قطع
در طول تست‌های قوس الکتریکی و قطع، پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ و زمان به طور جداگانه اندازه‌گیری شدند تا ویژگی‌های قوس الکتریکی و قطع تحلیل شوند. در پردازش داده‌ها، روش‌های آماری برای محاسبه میانگین، انحراف معیار و ضریب تغییرات هر پارامتر استفاده شد.

۱. داده‌های تست قوس الکتریکی تحلیل و پردازش شدند. میانگین مقادیر جریان قوس، ولتاژ و زمان به ترتیب ۸.۵ کیلوآمپر، ۴.۲ کیلوولت و ۲.۵ میلی‌ثانیه بود. انحراف معیار و ضریب تغییرات نیز محاسبه شد تا توزیع و ثبات داده‌های تستی درک شود. نتایج نشان داد که انحراف معیار جریان قوس ۰.۸ کیلوآمپر با ضریب تغییرات ۹.۴٪ بود؛ انحراف معیار ولتاژ قوس ۰.۴ کیلوولت با ضریب تغییرات ۹.۵٪ بود؛ و انحراف معیار زمان قوس ۰.۲ میلی‌ثانیه با ضریب تغییرات ۸.۰٪ بود. این نشان‌دهنده توزیع نسبتاً پایدار و قابل اعتماد داده‌های تست قوس الکتریکی است.

۲. داده‌های تست 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 معیار و ضریب تغییرات محاسبه شد. نتایج نشان داد که انحراف معیار جریان قطع ۰.۵ کیلوآمپر با ضریب تغییرات ۱۴.۳٪ بود؛ انحراف معیار ولتاژ قطع ۰.۳ کیلوولت با ضریب تغییرات ۷.۹٪ بود؛ و انحراف معیار زمان قطع ۰.۱ میلی‌ثانیه با ضریب تغییرات ۴.۴٪ بود. این نشان‌دهنده توزیع نسبتاً کمتر پایدار و قابل اعتماد داده‌های تست قطع است.

بر اساس تحلیل داده‌های فوق می‌توان نتیجه گرفت که قابلیت اعتماد داده‌های تست قوس الکتریکی بالاتر از داده‌های تست قطع است، که ممکن است به دلیل میدان‌های الکترومغناطیسی پیچیده در طول فرآیند قطع باشد و نیاز به بررسی بیشتر دارد. علاوه بر این، رابطه بین ویژگی‌های قوس الکتریکی و قطع می‌تواند بر اساس داده‌های تستی مورد بررسی قرار گیرد.

۳.۲ تحلیل رابطه بین ویژگی‌های قوس الکتریکی و قطع
با تحلیل و پردازش پارامترهای موجود در هر دو فرآیند 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 گاز‌های محیط‌زیستی 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 طرق مختلف بر این دو فرآیند تأثیر می‌گذارند. در طول قوس الکتریکی، جریان و مدت زمان قوس پارامترهای اصلی هستند، در حالی که ولتاژ نیز تأثیر خاصی دارد. در مقابل، در طول قطع، جریان قطع پارامتر غالب است و زمان و ولتاژ نیز نقشی دارند. بنابراین، در تحلیل رابطه بین ویژگی‌های قوس الکتریکی و قطع، باید پارامترهای کلیدی هر کدام به طور جداگانه در نظر گرفته شوند.

تحلیل داده‌ها نشان می‌دهد که رابطه خاصی بین ویژگی‌های قوس الکتریکی و قطع وجود دارد:

• افزایش جریان و ولتاژ قوس منجر به تولید بیشتر محصولات جانبی قوس و مصرف انرژی بیشتر در طول قوس می‌شود، که به نوبه خود سختی قطع را افزایش می‌دهد.

• افزایش جریان قطع منجر به افزایش انرژی قوس در طول قطع می‌شود که نیز سختی قطع را افزایش می‌دهد.

علاوه بر این، تحلیل میدان الکترومغناطیسی در طول قوس و قطع نشان می‌دهد که میدان‌های الکترومغناطیسی به طور قابل توجهی بر هر دو فرآیند تأثیر می‌گذارند. در طول قوس، میدان الکترومغناطیسی نیروی محدودکننده‌ای را اعمال می‌کند که از پخش قوس جلوگیری می‌کند. در طول قطع، میدان الکترومغناطیسی نیروی دفعی تولید می‌کند که قوس را به بیرون 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 تحت تأثیر پارامترهای عملیاتی کلیدی و تأثیرات میدان الکترومغناطیسی هستند. بنابراین، در طراحی و بهینه‌سازی واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز‌های محیط‌زیستی، باید رابطه بین ویژگی‌های قوس الکتریکی و قطع به طور جامع در نظر گرفته شود و طراحی‌ها باید برای سناریوهای کاربردی خاص تنظیم شوند تا عملکرد بهینه به دست آید.

۴. نتیجه‌گیری

از طریق مطالعه ویژگی‌های قوس الکتریکی و قطع واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز‌های محیط‌زیستی می‌توان نتیجه گرفت که این ویژگی‌ها به طور قابل توجهی با واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با SF₆ متفاوت است. واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز‌های محیط‌زیستی نیازمند محدودیت‌های صریح‌تری برای پارامترهایی مانند جریان، ولتاژ و زمان هستند که نیاز به طراحی و بهینه‌سازی دقیق‌تری دارد. علاوه بر این، توزیع میدان الکترومغناطیسی در طول قوس و قطع متفاوت است: در طول قوس، میدان الکترومغناطیسی متمرکز‌تر و شدیدتر است، در حالی که در طول قطع یکنواخت‌تر است.

با افزایش استفاده از واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز‌های محیط‌زیستی، مطالعات آینده ممکن است روی جنبه‌های زیر تمرکز کنند:

• بهینه‌سازی طراحی واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده با گاز‌های محیط‌زیستی از طریق تحلیل شبیه‌سازی.

• بررسی ویژگی‌های قوس الکتریکی و قطع در شرایط عملیاتی مختلف.

• کاوش پتانسیل کاربرد گازهای محیط‌زیستی جدید در واحد‌های حلقه‌ای عایق‌بندی شده.

به طور خلاصه، یافته‌های این تحقیقات برای پیشرفت توسعه و بهینه‌سازی واحد‌های حلقه‌ای عایق‌شده با گاز دوستدار محیط زیست اهمیت بسزایی دارند.