Recherche sur les caractéristiques d'arc et d'interruption des unités de répartition à gaz isolant écologique

Les unités de jonction à gaz isolant écologique (RMU) sont des équipements de distribution d'énergie importants dans les systèmes électriques, caractérisés par leur respect de l'environnement, leur fiabilité et leur haute sécurité. Lors de leur fonctionnement, les caractéristiques de formation et d'interruption des arcs ont un impact significatif sur la sécurité des RMU à gaz isolant écologique. Par conséquent, une recherche approfondie sur ces aspects est d'une grande importance pour assurer le fonctionnement sûr et stable des systèmes d'énergie. Cet article vise à étudier les caractéristiques de formation et d'interruption des arcs des RMU à gaz isolant écologique par le biais de tests expérimentaux et d'analyses de données, en explorant leurs tendances et leurs particularités, avec pour objectif de fournir un soutien théorique et une orientation technique pour la recherche et le développement de tels équipements.

1. Recherche sur les caractéristiques de formation d'arc des unités de jonction à gaz isolant écologique

1.1 Concepts de base et facteurs influents des gaz écologiques

Les gaz écologiques désignent les gaz qui ne détruisent pas la couche d'ozone. Parmi les exemples courants, on trouve l'azote (N₂), l'air comprimé sec (déshuilé et déshydraté) et des gaz spécialement formulés. Les RMU à gaz isolant écologique offrent des avantages tels que le respect de l'environnement, la sécurité et la fiabilité, et sont donc largement utilisés dans les systèmes d'énergie. L'étude de leurs caractéristiques de formation d'arc nécessite de comprendre les concepts de base et les facteurs influents des gaz écologiques. 

Les propriétés physiques et chimiques, la structure moléculaire, la température, la pression, l'humidité et d'autres facteurs influencent les performances d'isolation et le comportement de formation d'arc de ces gaz, qui doivent être étudiés expérimentalement. De plus, des défis pratiques tels que la consommation de gaz et la recyclabilité doivent être abordés. Par conséquent, une étude approfondie des concepts de base et des facteurs influents des gaz écologiques est essentielle pour la recherche sur les caractéristiques de formation d'arc dans les RMU à gaz isolant écologique.

1.2 Méthodes de recherche et montage expérimental pour les caractéristiques de formation d'arc

L'étude des caractéristiques de formation d'arc nécessite l'établissement d'une méthodologie de test standardisée et d'un montage expérimental. Les méthodes de test comprennent généralement des essais électriques basés sur les phénomènes d'arc et des analyses chimiques. Le montage expérimental doit garantir la reproductibilité, la précision et la sécurité, et se compose généralement d'une source haute tension, d'une chambre d'arc, d'instruments de mesure et d'un système d'acquisition de données. La chambre d'arc est un composant crucial, simulant le processus réel de formation d'arc à l'intérieur d'un RMU à gaz isolant écologique. Pour étudier efficacement les caractéristiques d'arc, le montage doit fournir des niveaux appropriés de tension et de courant et permettre l'enregistrement en temps réel de paramètres tels que la tension d'arc, le courant, la durée et les sous-produits. Des mesures de sécurité adéquates doivent également être mises en place pour prévenir les accidents lors des tests.

1.3 Essais et analyse du courant d'arc, de la tension et de la durée
Dans l'étude des caractéristiques d'arc, le courant d'arc, la tension et la durée sont des paramètres clés. Le courant d'arc fait référence à l'intensité du courant qui circule dans la région d'arc pendant l'arcing ; la tension d'arc est la différence de potentiel à travers la région d'arc ; et la durée d'arc est l'intervalle de temps entre l'initiation et l'extinction de l'arc. La mesure de ces paramètres nécessite des instruments spécialisés tels que des générateurs haute tension, des transformateurs de courant, des transformateurs de tension et des oscilloscopes numériques. Les essais expérimentaux et la collecte de données sur ces paramètres dans les RMU à gaz isolant écologique, suivis d'une analyse de données, aident à révéler les tendances et les interrelations, approfondissant ainsi la compréhension des caractéristiques de formation d'arc et fournissant des données fondamentales pour des recherches ultérieures.

1.4 Analyse des sous-produits d'arc pendant l'arcing
Lors de l'arcing dans les RMU à gaz isolant écologique, divers sous-produits tels que des oxydes, des fluorures, des chlorures et de la fumée sont générés, ce qui peut poser des risques pour l'environnement et la santé humaine. Actuellement, deux approches principales sont utilisées pour analyser les sous-produits d'arc : l'analyse expérimentale et la simulation numérique. L'analyse expérimentale implique la simulation du processus d'arcing en laboratoire, la collecte d'échantillons de sous-produits et l'analyse chimique pour déterminer les distributions d'espèces et de concentrations. La simulation numérique utilise des modèles informatiques pour prédire la distribution des sous-produits et les voies de réaction. 

Des techniques d'analyse telles que la chromatographie, la spectrométrie de masse et la microscopie électronique sont utilisées dans l'analyse expérimentale. Dans la simulation numérique, des méthodes comme l'analyse par éléments finis et la CFD (Dynamique des Fluides Computationnelle) sont utilisées pour modéliser la distribution des sous-produits et les mécanismes de réaction chimique pendant l'arcing. Les résultats de l'analyse des sous-produits améliorent la compréhension des réactions chimiques et de la conversion d'énergie pendant l'arcing, fournissant un soutien théorique et technique pour la conception et l'application des RMU à gaz isolant écologique, ainsi que des données de référence pour la surveillance environnementale et la sécurité du personnel.

2. Recherche sur les caractéristiques d'interruption des unités de jonction à gaz isolant écologique

2.1 Concepts de base et facteurs influents des phénomènes d'interruption
2.1.1 Méthodes d'essai d'interruption
Les essais d'interruption sont une étape cruciale dans l'étude des caractéristiques d'interruption des RMU à gaz isolant écologique. Ils sont généralement réalisés en utilisant soit des méthodes expérimentales conventionnelles, soit des simulations numériques. Les méthodes conventionnelles impliquent la construction d'une plateforme d'essai d'interruption et la variation des conditions d'essai (par exemple, le courant, la tension) pour observer le comportement d'interruption et recueillir des données expérimentales. La simulation numérique, quant à elle, utilise des modèles informatiques pour simuler les phénomènes physiques pendant l'interruption, permettant la génération rapide de grandes quantités de données et la prédiction des performances d'interruption.

2.1.2 Configuration du test
Pour étudier les caractéristiques d'interruption, une configuration de test d'interruption dédiée doit être conçue et construite. Cette configuration comprend une alimentation électrique haute tension, des équipements de commutation et des instruments de mesure. L'alimentation électrique haute tension fournit l'énergie au dispositif de commutation, qui effectue la véritable opération d'interruption, tandis que les instruments mesurent et enregistrent les caractéristiques d'interruption.

2.1.3 Essai et analyse des paramètres caractéristiques d'interruption
La recherche sur les caractéristiques d'interruption nécessite l'essai et l'analyse de paramètres tels que le courant, la tension et le temps pendant le processus d'interruption. Ces paramètres sont des indicateurs clés pour évaluer les performances d'interruption. Le courant et la tension décrivent le comportement électrique pendant l'interruption, tandis que le temps reflète la dynamique temporelle. L'analyse de ces paramètres révèle des informations cruciales telles que les tendances de variation du courant et de la tension d'interruption, la durée d'interruption et les performances globales.

2.2 Méthodes de recherche et configuration de test pour les caractéristiques d'interruption
Les méthodes courantes pour étudier les caractéristiques d'interruption des RMU à isolation gazeuse écologique comprennent les essais d'interruption conventionnels et les simulations numériques avancées. Les essais conventionnels impliquent la mise en place de dispositifs de commutation et de charge dans un banc d'essai, la variation des paramètres d'alimentation (tension, courant, etc.), l'observation des processus transitoires pendant l'interruption, et l'enregistrement de paramètres tels que le courant, la tension et le temps pour le traitement et l'analyse des données. 

Comparativement aux essais conventionnels, les simulations numériques offrent une plus grande précision dans la modélisation des caractéristiques d'interruption. En utilisant des techniques de simulation et de modélisation informatiques, les méthodes numériques résolvent les principaux champs physiques - tels que le champ électrique, le champ magnétique, le champ de température et le champ de flux - pendant l'interruption, tout en prenant en compte de multiples facteurs tels que le courant, la tension, l'écart entre électrodes et la température ambiante. De plus, les simulations numériques permettent l'optimisation de la conception des RMU en ajustant les propriétés des matériaux et les configurations géométriques.
Pour la configuration de test, des alimentations électriques en courant continu haute tension et des unités de décharge de condensateurs haute puissance peuvent fournir les conditions nécessaires de haute tension et de haut courant. Des systèmes d'acquisition de données rapides et des enregistreurs sont utilisés pour capturer précisément les paramètres d'interruption. Pour garantir la reproductibilité et la précision, la configuration de test doit être calibrée et validée.

2.3 Essai et analyse du courant, de la tension et du temps d'interruption
L'essai et l'analyse du courant, de la tension et du temps d'interruption sont une partie cruciale de l'étude des caractéristiques d'interruption.
(1) Objectif du test : Comprendre les caractéristiques d'interruption des RMU à isolation gazeuse écologique en testant et en analysant le courant, la tension et le temps d'interruption, évaluer leurs performances dans des conditions d'exploitation réelles, et fournir une base pour l'utilisation et l'amélioration de l'équipement.
(2) Équipement de test : Des ampèremètres numériques, des transformateurs de tension, des instruments de mesure du temps, des oscilloscopes et des systèmes d'acquisition de données sont utilisés pour assurer une mesure précise du courant, de la tension et du temps pendant l'interruption.
(3) Procédures de test :

• Test du courant d'interruption : Effectuer l'interruption dans des conditions de test standard, enregistrer les formes d'onde du courant, et s'assurer d'une connexion appropriée entre l'équipement de test et le RMU. Mesurer les variations de courant à l'aide de transformateurs de courant et d'ampèremètres numériques.

• Test de la tension d'interruption : De même, effectuer l'interruption dans des conditions standard, enregistrer les formes d'onde de tension, et mesurer les variations de tension à l'aide de transformateurs de tension et de voltmètres numériques.

• Test du temps d'interruption : Utiliser des instruments de mesure du temps pour enregistrer précisément l'intervalle de temps depuis le début jusqu'à la fin de l'opération d'interruption.

• Test du processus transitoire : Utiliser des oscilloscopes et des systèmes d'acquisition de données pour capturer les formes d'onde de courant et de tension transitoires pendant l'interruption, afin d'analyser les caractéristiques transitoires.

(4) Enregistrement et analyse des données : Enregistrer les formes d'onde de courant, les formes d'onde de tension, les données de temps d'interruption et les formes d'onde transitoires. Analyser si le courant d'interruption répond aux exigences d'ingénierie, si la tension d'interruption est conforme aux spécifications, et si le temps d'interruption satisfait aux critères de conception. Évaluer l'impact des processus transitoires sur les performances et la stabilité de l'équipement. Grâce aux procédures de test détaillées ci-dessus, une considération complète de tous les facteurs pertinents assure une collecte de données précise et une analyse approfondie. Les résultats sont présentés dans le tableau 1.

Tableau 1 : Essai et analyse des paramètres de courant, de tension et de temps

À partir de l'analyse du tableau 1, on peut tirer les conclusions suivantes :

• Il existe une certaine relation entre le courant d'interruption et la tension ; généralement, le courant d'interruption augmente à mesure que la tension augmente.

• Le temps d'interruption est lié à la fois au courant et à la tension ; plus le courant et la tension sont élevés, plus le temps d'interruption est court.

• Lors des tests, il faut prêter attention à contrôler la plage de courant et de tension pendant l'interruption afin d'éviter des inexactitudes dans les résultats des tests causées par des valeurs trop hautes ou trop basses. De plus, d'autres facteurs influents, tels que la température et l'humidité ambiantes, doivent également être pris en compte.

2.4 Analyse du champ électromagnétique pendant le processus d'interruption
Pour l'analyse du champ électromagnétique pendant le processus d'interruption des unités principales en anneau isolées au gaz écologique, un dispositif de test doit être établi pour effectuer des mesures et analyses du champ électromagnétique. Dans l'expérience, un système de mesure du champ électromagnétique peut être mis en place pour tester et enregistrer le champ électromagnétique pendant le processus d'interruption, comme indiqué dans le tableau 2.

Tableau 2 : Analyse du champ électromagnétique pendant le processus de coupure

L'analyse des variations du champ électromagnétique pendant le processus d'interruption basée sur le tableau 2 révèle que, au moment de l'interruption, le courant chute soudainement à zéro et l'intensité du champ magnétique diminue également de manière significative. Par la suite, l'intensité du champ magnétique se rétablit progressivement à son état initial. L'analyse du champ électromagnétique peut fournir des données de référence importantes pour la conception et l'optimisation des postes de jonction à gaz isolant écologiques.

3.Analyse des résultats de recherche sur les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption
3.1 Analyse et traitement des paramètres pendant les processus d'arc électrique et d'interruption
Pendant les tests d'arc électrique et d'interruption, des paramètres tels que le courant, la tension et le temps ont été mesurés séparément pour analyser les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption. Dans le traitement des données, des méthodes statistiques ont été utilisées pour calculer la moyenne, l'écart type et le coefficient de variation de chaque paramètre.

① Les données des tests d'arc électrique ont été analysées et traitées. Les valeurs moyennes du courant d'arc, de la tension et du temps étaient respectivement 8,5 kA, 4,2 kV et 2,5 ms. L'écart type et le coefficient de variation ont également été calculés pour comprendre la distribution et la stabilité des données de test. Les résultats ont montré que l'écart type du courant d'arc était de 0,8 kA avec un coefficient de variation de 9,4 % ; l'écart type de la tension d'arc était de 0,4 kV avec un coefficient de variation de 9,5 % ; et l'écart type du temps d'arc était de 0,2 ms avec un coefficient de variation de 8,0 %. Cela indique que les données des tests d'arc électrique présentaient une distribution relativement stable et une haute fiabilité.

② Les données des tests d'interruption ont été analysées et traitées. Les valeurs moyennes du courant d'interruption, de la tension et du temps étaient respectivement 3,5 kA, 3,8 kV et 3,0 ms. De même, l'écart type et le coefficient de variation ont été calculés. Les résultats ont montré que l'écart type du courant d'interruption était de 0,5 kA avec un coefficient de variation de 14,3 % ; l'écart type de la tension d'interruption était de 0,3 kV avec un coefficient de variation de 7,9 % ; et l'écart type du temps d'interruption était de 0,1 ms avec un coefficient de variation de 4,4 %. Cela suggère que les données des tests d'interruption étaient relativement moins stables et avaient une fiabilité inférieure.

Sur la base de l'analyse des données ci-dessus, on peut conclure que la fiabilité des données des tests d'arc électrique est supérieure à celle des données des tests d'interruption, possiblement en raison des champs électromagnétiques complexes impliqués dans le processus d'interruption, ce qui justifie une enquête plus approfondie. De plus, la relation entre les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption peut être davantage explorée sur la base des données de test.

3.2 Analyse de la relation entre les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption
En analysant et en traitant les paramètres des processus d'arc électrique et d'interruption, la relation entre les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption peut être étudiée plus en profondeur. Les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption sont des indicateurs clés de performance des postes de jonction à gaz isolant écologiques, et la compréhension de leur interrelation peut fournir des conseils précieux pour la conception et l'optimisation.

Du point de vue des caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption, les paramètres tels que le courant, la tension et le temps affectent différemment les deux processus. Pendant l'arc électrique, le courant d'arc et la durée sont les paramètres principaux, tandis que la tension a également une certaine influence. En revanche, pendant l'interruption, le courant d'interruption est le paramètre dominant, le temps et la tension jouant également un rôle. Par conséquent, lors de l'analyse de la relation entre les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption, leurs paramètres clés respectifs doivent être considérés séparément.

L'analyse des données montre une certaine corrélation entre les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption :

• Une augmentation du courant d'arc et de la tension entraîne une production accrue de sous-produits d'arc et une consommation d'énergie plus élevée pendant l'arc électrique, augmentant ainsi la difficulté de l'interruption.

• Une augmentation du courant d'interruption entraîne une énergie d'arc plus élevée pendant l'interruption, ce qui augmente également la difficulté de l'interruption.

De plus, l'analyse du champ électromagnétique pendant l'arc électrique et l'interruption révèle que les champs électromagnétiques influencent considérablement les deux processus. Pendant l'arc électrique, le champ électromagnétique exerce une force de contrainte qui limite la diffusion de l'arc. Pendant l'interruption, le champ électromagnétique génère une force de répulsion qui pousse l'arc vers l'extérieur, affectant les performances d'interruption.

Ces résultats indiquent que les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption sont interconnectées, principalement influencées par leurs paramètres opérationnels clés et les effets des champs électromagnétiques. Par conséquent, dans la conception et l'optimisation des postes de jonction à gaz isolant écologiques, la relation entre les caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption doit être considérée de manière globale, et les conceptions doivent être adaptées aux scénarios d'application spécifiques pour atteindre des performances optimales.

4.Conclusion

À travers l'étude des caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption des postes de jonction à gaz isolant écologiques, on peut conclure que ces caractéristiques diffèrent considérablement de celles des postes de jonction à isolation SF₆ traditionnels. Les postes de jonction à gaz isolant écologique imposent des exigences plus strictes sur les paramètres tels que le courant, la tension et le temps, nécessitant une conception et une optimisation plus précises. De plus, la distribution du champ électromagnétique pendant l'arc électrique et l'interruption est différente : pendant l'arc électrique, le champ électromagnétique est plus concentré et intense, alors qu'il est plus uniforme pendant l'interruption.

Alors que l'utilisation des postes de jonction à gaz isolant écologique continue de s'étendre, les recherches futures pourraient se concentrer sur les aspects suivants :

• L'optimisation de la conception des postes de jonction à gaz isolant écologique par analyse de simulation.

• L'étude des caractéristiques de l'arc électrique et de l'interruption dans diverses conditions de fonctionnement.

• L'exploration du potentiel d'application de nouveaux gaz écologiques dans les postes de jonction à isolation gazeuse.

En résumé, ces résultats de recherche sont d'une grande importance pour le développement et l'optimisation des unités principales en anneau à isolation gazeuse écologiques.