Környezetbarát gázizolált gyűjtőkörök ív- és megszakítási jellemzőinek kutatása

Az ökológiai gáz-izolált gyűrűs főválasztók (RMU-k) fontos elektromos rendszerekben használt elosztó berendezések, melyek környezetbarát, zöld és megbízható jellemzőkkel rendelkeznek. A működés során az ív keletkezésének és megszakításának jellemzői jelentősen befolyásolják az ökológiai gáz-izolált RMU-k biztonságát. Ezért ezeknek az aspektusoknak a mélyreható kutatása nagy jelentőséggel bír a villamos rendszerek biztonságos és stabil működésének biztosításában. Ez a cikk arra törekszik, hogy kísérleti tesztelések és adatelemzés segítségével feltárja az ökológiai gáz-izolált RMU-k ív keletkezésének és megszakításának jellemzőit, feltárva mintáikat és jellemzőiket, a cél azzal, hogy elméleti támogatást és technikai iránymutatást adjon ilyen felszereltségek kutatásához és fejlesztéséhez.

1. Az ökológiai gáz-izolált gyűrűs főválasztók ív keletkezésének jellemzőinek kutatása

1.1 Alapfogalmak és befolyásoló tényezők az ökológiai gázok esetén

Az ökológiai gázok olyan gázok, amelyek nem rombolják el az ozonréteget. Gyakori példák között szerepel a nitrogén (N₂), a száraz, tömörített levegő (olajmentes és nedvességmentes), valamint speciálisan összeállított új gázok. Az ökológiai gáz-izolált RMU-k előnyöként az ökológiai, biztonsági és megbízható jellemzőket említhetjük, melyek miatt széles körben alkalmazzák a villamos rendszerekben. Az ilyen felszereltségek ív keletkezésének jellemzőinek vizsgálata előtt meg kell ismernünk az ökológiai gázok alapfogalmait és befolyásoló tényezőit. 

A fizikai és kémiai tulajdonságok, a molekuláris szerkezet, a hőmérséklet, a nyomás, a páratartalom és más tényezők mind befolyásolják ezeknek a gázoknak az izolációs teljesítményét és az ív keletkezési viselkedését, amelyeket kísérletileg kell vizsgálni. Ezenkívül a gáz felhasználásának mennyisége és a reciklálhatóság gyakorlati kihívásokat jelentenek. Ezért az ökológiai gázok alapfogalmainak és befolyásoló tényezőinek mélyreható tanulmányozása létfontosságú az ökológiai gáz-izolált RMU-k ív keletkezésének jellemzőinek kutatásához.

1.2 Kutatási módszerek és kísérleti beállítás az ív keletkezésének jellemzőinek vizsgálatához

Az ív keletkezésének jellemzőinek vizsgálata egy standardizált tesztelési módszer és kísérleti beállítás létrehozását igényli. A tesztelési módszerek általában tartalmazzák az ív jelenségekre épülő elektromos teszteket és kémiai elemzéseket. A kísérleti beállításnak garantálnia kell a megismételhetőséget, pontosságot és biztonságot, általában magas feszültségű forrást, ív kamratot, mérőeszközöket és adatgyűjtő rendszert tartalmaz. Az ív kamra egy kulcsfontosságú komponens, mely szimulálja az ökológiai gáz-izolált RMU-ban történő ív keletkezési folyamatot. Az ív jellemzőinek hatékony vizsgálatához a beállítás megfelelő feszültséget és áramot kell biztosítson, valamint lehetővé kell tegye a paraméterek, mint például az ív feszültség, áram, időtartam és melléktermékek valós idejű rögzítését. Megfelelő biztonsági intézkedéseket is be kell vezetni, hogy a tesztelés során baleseteket elkerüljünk.

1.3 Az ív áram, feszültség és időtartam tesztelése és elemzése
Az ív jellemzőinek vizsgálata során az ív áram, feszültség és időtartam kulcsfontosságú paraméterek. Az ív áram az ív régióban áramló áram nagyságát jelenti; az ív feszültség pedig az ív régió két végpontjának potenciális különbségét; az ív időtartama pedig az ív kezdetétől a kivaltásig eltelt időtartamot. Ezeknek a paramétereknek a mérése speciális eszközöket igényel, mint például magas feszültségű generátort, áramátviteli transzformátort, feszültségátviteli transzformátort és digitális oscilloszkópot. Az ökológiai gáz-izolált RMU-k esetén ezekre a paraméterekre vonatkozó kísérleti tesztelés és adatszükséglet, valamint az adat elemzése segít felfedezni a trendeket és összefüggéseket, ezzel mélyebb megértést nyerve az ív keletkezésének jellemzőiről, és alapvető adatokat biztosítva további kutatásokhoz.

1.4 Az ív melléktermékeinek elemzése az ív során
Az ökológiai gáz-izolált RMU-kban történő ív során különböző melléktermékek jelennek meg, mint például oxidok, fluoridok, klóridok és füst, melyek veszélyt jelenthetnek a környezetre és az emberi egészségre. Jelenleg két fő megközelítést használnak az ív melléktermékeinek elemzésére: kísérleti elemzést és numerikus szimulációt. A kísérleti elemzés a laboratóriumban az ív folyamatának szimulálását, a melléktermékek mintáinak gyűjtését és a kemikai elemzést jelenti, amellyel meghatározzák a fajokat és koncentrációeloszlásokat. A numerikus szimuláció számítógépes modelleket használ a melléktermékek eloszlásának és reakcióútvonalaknak a prediktziójára. 

Az elemzési technikák, mint például a kromatográfia, a tömegspektrometria és az elektronmikroszkópia, alkalmazásra kerülnek a kísérleti elemzésekben. A numerikus szimulációban véges elem analízis és CFD (Számítógépes Folyadékmechanika) módszereket használnak a melléktermékek eloszlásának és a kemikai reakció-mechanizmusoknak a modellezésére az ív során. Az ív melléktermékeinek elemzéséből származó eredmények mélyebb megértést nyújtanak a kemikai reakciókról és az energiaátalakulásról az ív során, elméleti és technikai támogatást nyújtva az ökológiai gáz-izolált RMU-k tervezésének és alkalmazásának, valamint referenciadatokat a környezeti monitorozáshoz és a személyzet biztonságához.

2. Az ökológiai gáz-izolált gyűrűs főválasztók megszakítási jellemzőinek kutatása

2.1 Alapfogalmak és befolyásoló tényezők a megszakítási jelenségek esetén
2.1.1 Megszakítási tesztelési módszerek
A megszakítási tesztelés az ökológiai gáz-izolált RMU-k megszakítási jellemzőinek vizsgálatának egyik kulcsfontosságú lépése. Általában hagyományos kísérleti módszereket vagy numerikus szimulációt használnak. A hagyományos módszerek mellett a megszakítási tesztplatformot építik fel, és a tesztelési feltételeket (például az áram, a feszültség) változtatják, hogy figyelmen kívül hagyják a megszakítási viselkedést, és gyűjtsék a kísérleti adatokat. A numerikus szimuláció, másrészről, számítógépes modelleket használ a fizikai jelenségek szimulálására a megszakítás során, lehetővé téve a nagy adathalmazok gyors előállítását és a megszakítási teljesítmény előrejelzését.

2.1.2 Próbaállomány beállítása
A megszakítási jellemzők tanulmányozásához szükséges egy dedikált megszakítási próbaállomány tervezése és építése. Ez az állomány magasfeszültségű tápegységet, kapcsolóeszközöket és mérőszerszerekeket tartalmaz. A magasfeszültségű tápegység energiát nyújt a kapcsolóeszköznek, amely végrehajtja a tényleges megszakítást, miközben a mérőszerszerek mérjék és rögzítenek a megszakítási jellemzőket.

2.1.3 Megszakítási jellemzőparaméterek tesztelése és elemzése
A megszakítási jellemzők kutatásához szükséges a folyamathoz, feszülthöz és időhöz kapcsolódó paraméterek tesztelése és elemzése a megszakítási folyamat során. Ezek a paraméterek kulcsfontosságú mutatók a megszakítási teljesítmény értékeléséhez. A folyam és a feszültség leírják a megszakítási folyamat elektromos viselkedését, míg az idő a időbeli dinamikát tükrözi. Az ezekre a paraméterekre vonatkozó elemzés alapvető információkat ad, mint például a megszakítási folyam és feszültség változási trendjei, a megszakítási időtartam, valamint az általános teljesítmény.

2.2 Kutatási módszerek és próbaállomány a megszakítási jellemzők vizsgálatához
A környezetbarát gázizolált RMU-k megszakítási jellemzőinek tanulmányozására gyakran alkalmazott módszerek a hagyományos megszakítási tesztek és a fejlett numerikus szimulációk. A hagyományos tesztek során kapcsoló- és terheléses eszközöket helyeznek el egy próbakeretben, módosítják a tápegység paramétereit (pl. feszültséget, folyamatot stb.), megfigyelik a megszakítási folyamat tranzient folyamatát, és rögzítik a folyam, feszültség és idő paramétereit az adatfeldolgozás és -elemzés céljából. 

A hagyományos tesztekhez képest a numerikus szimulációk nagyobb pontosságot biztosítanak a megszakítási jellemzők modellezésében. A számítógépes szimulációs és modellezési technikák segítségével a numerikus módszerek megoldják a megszakításkor fellépő fő fizikai mezőket, mint például az elektromos, mágneses, hőmérsékleti és áramlásmezőket, figyelembe véve több tényezőt is, mint például a folyam, a feszültség, az elektrodák közötti távolság és a környezeti hőmérséklet. Továbbá a numerikus szimulációk lehetővé teszik az RMU-k tervezés optimalizálását anyagtulajdonságok és geometriai konfigurációk módosításával.
A próbaállomány esetében a magasfeszültségű DC tápegységek és a nagy teljesítményű kondenzátor-diszcharge egységek biztosítják a szükséges magasfeszültségű és nagy folyamú feltételeket. Gyors adatelőállító rendszerek és rögzítők használhatók a megszakítási paraméterek pontos rögzítésére. A repetitivitás és a pontosság biztosítása érdekében a próbaállomány kalibrálni és validálni kell.

2.3 Folyam, feszültség és idő megszakítási jellemzőinek tesztelése és elemzése
A megszakítási folyam, feszültség és idő tesztelése és elemzése alapvető része a megszakítási jellemzők tanulmányozásának.
(1) Teszt célja: A környezetbarát gázizolált RMU-k megszakítási jellemzőinek megértése a megszakítási folyam, feszültség és idő tesztelésével és elemzésével, a teljesítmény értékelése a valós működési feltételek mellett, és az eszközök felhasználására és javítására szolgáló alap megadása.
(2) Teszt felszerelés: Digitális ampermeterek, feszültségátalakítók, időmérő eszközök, oscilloszkópok és adatelőállító rendszerek használhatók a folyam, feszültség és idő pontos mérése érdekében a megszakítás során.
(3) Teszt eljárások:

• Megszakítási folyam teszt: Végrehajtja a megszakítást standard tesztfeltételek mellett, rögzíti a folyam hullámformáit, és ellenőrzi a teszt felszerelés és az RMU közötti megfelelő csatlakoztatást. Méri a folyamváltozásokat folyamátalakítókkal és digitális ampermeterekkel.

• Megszakítási feszültség teszt: Hasonlóképpen, végrehajtja a megszakítást standard feltételek mellett, rögzíti a feszültség hullámformáit, és méri a feszültségváltozásokat feszültségátalakítókkal és digitális voltmeterrel.

• Megszakítási idő teszt: Időmérő eszközöket használ a megszakítási művelet kezdete és befejezése közötti időtartam pontos rögzítésére.

• Tranziensek teszt: Oscilloszkópokat és adatelőállító rendszereket használ a megszakítási folyam és feszültség hullámformáinak rögzítésére a tranziensek jellemzőinek elemzéséhez.

(4) Adatrögzítés és elemzés: Rögzíti a folyam hullámformáit, a feszültség hullámformáit, a megszakítási idő adatait és a tranziensek hullámformáit. Elemezi, hogy a megszakítási folyam megfelel-e a mérnöki követelményeknek, a megszakítási feszültség megfelel-e a specifikációknak, és a megszakítási idő megfelel-e a tervezési kritériumoknak. Értékeli a tranziensek hatását az eszköz teljesítményére és stabilitására. A fenti részletes tesztelési eljárások segítségével minden releváns tényező komplex vizsgálata biztosítja a pontos adatgyűjtést és mélyreható elemzést. Az eredmények a 1. táblázatban láthatók.

Táblázat 1: Folyam, feszültség és idő paramétereinek tesztelése és elemzése

A Táblázat 1 elemzéséből a következő következtetéseket vonhatjuk le:

• A megszakítási áram és a feszültség között van egy bizonyos összefüggés; általában a megszakítási áram növekszik a feszültség növelésével.

• A megszakítási idő mind az áramot, mind a feszültséget érinti; minél nagyobb az áram, és minél nagyobb a feszültség, annál rövidebb a megszakítási idő.

• A tesztelés során figyelemre méltó, hogy a megszakítás során az áram- és feszültségi tartományok szabályozása szükséges, hogy elkerüljük a túl magas vagy túl alacsony értékek miatti pontatlanságokat a teszt eredményekben. Ezenkívül más befolyásoló tényezőket is figyelembe kell venni, mint például a környezeti hőmérsékletet és páratartalmat.

2.4 Elektromágneses mező elemzése a megszakítási folyamat során
A környezettudatos gázizolált gyűrűfőköri egységek megszakítási folyamát során történő elektromágneses mező elemzéshez be kell állítani egy tesztelési felállást elektromágneses mező méréseinek és elemzésének végrehajtásához. A kísérletben elektromágneses mező mérő rendszert lehet beállítani a megszakítási folyamat során történő elektromágneses mező méréseinek és rögzítésének céljából, amely a Táblázat 2-ben látható.

Táblázat 2: Elektromágneses mező elemzése a megszakítási folyamat során

A táblázat 2 alapján végzett elektromágneses mező-változások elemzése azt mutatja, hogy a szakadáskor az áram hirtelen nullára csökken, és a mágneses tér erőssége megfelelően jelentősen csökken. Ezután a mágneses tér erőssége fokozatosan visszaáll a szakadás előtti állapotba. Az elektromágneses mező elemzés értékes adatokat nyújthat az ökológiai gáz-elhárító gyűrűs fővonalas egységek tervezéséhez és optimalizálásához.

3. Az ív és szakadási jellemzők kutatási eredményeinek elemzése
3.1 Adatelemzés és -feldolgozás az ív és szakadási folyamatok során
Az ív és szakadási tesztek során külön-külön mértek áramot, feszültséget és időt, hogy az ív és szakadási jellemzőket elemezzék. Az adatfeldolgozás során statisztikai módszereket használtak a paraméterek átlagértékének, szórásának és variációs együtthatójának kiszámítására.

① Az ív-teszt adatokat elemezték és feldolgozták. Az ív-áram, -feszültség és -idő átlagos értékei rendre 8,5 kA, 4,2 kV és 2,5 ms voltak. A szórásokat és a variációs együtthatókat is kiszámították, hogy megértsék az adatok eloszlását és stabilitását. Az eredmények szerint az ív-áram szórása 0,8 kA volt, a variációs együttható pedig 9,4%; az ív-feszültség szórása 0,4 kV volt, a variációs együttható 9,5%; az ív-idő szórása 0,2 ms volt, a variációs együttható pedig 8,0%. Ez azt jelenti, hogy az ív-teszt adatok relatív stabil eloszlást mutattak és magas megbízhatóságuk volt.

② A szakadási teszt adatokat elemezték és feldolgozták. A szakadási áram, -feszültség és -idő átlagos értékei rendre 3,5 kA, 3,8 kV és 3,0 ms voltak. Ugyanúgy kiszámították a szórásokat és a variációs együtthatókat. Az eredmények szerint a szakadási áram szórása 0,5 kA volt, a variációs együttható 14,3%; a szakadási feszültség szórása 0,3 kV volt, a variációs együttható 7,9%; a szakadási idő szórása 0,1 ms volt, a variációs együttható pedig 4,4%. Ez azt sugallja, hogy a szakadási teszt adatok kevésbé stabilak voltak és alacsonyabb megbízhatóságuk volt.

Az említett adatelemzés alapján következtethetünk, hogy az ív-teszt adatok megbízhatósága magasabb, mint a szakadási teszt adatoké, ami a szakadási folyamatban részt vevő összetett elektromágneses mezőkhöz kapcsolódó lehet, ami mélyebb vizsgálatot igényel. Továbbá az ív és szakadási jellemzők közötti kapcsolatot további tanulmányozás révén lehet feltárni az adatok alapján.

3.2 Az ív és szakadási jellemzők közötti kapcsolat elemzése
Az ív és szakadási folyamatok paramétereinek elemzése és feldolgozása segítségével tovább vizsgálható az ív és szakadási jellemzők közötti kapcsolat. Mind az ív, mind a szakadási jellemzők kulcsfontosságú teljesítményindikátorok az ökológiai gáz-elhárító gyűrűs fővonalas egységeknél, és ezek közötti kapcsolat megértése értékes útmutatást nyújthat a tervezéshez és optimalizáláshoz.

Az ív és szakadási jellemzők szempontjából az áram, feszültség és idő paraméterei eltérően befolyásolják a két folyamatot. Az ív során az ív-áram és -idő a főbb paraméterek, ahol a feszültség is bizonyos hatással van. Szakadás esetén a szakadási áram a domináns paraméter, ahol az idő és a feszültség is szerepet játszik. Tehát az ív és szakadási jellemzők közötti kapcsolat elemzésekor külön-külön kell figyelembe venni a különböző kulcsparamétereket.

Az adatelemzés bizonyos korrelációt mutat az ív és szakadási jellemzők között:

• Az ív-áram és -feszültség növekedése magasabb ív-termék- és energiafelhasználást eredményez az ív során, ami növeli a szakadás nehézségét.

• A szakadási áram növekedése magasabb ív-energiát eredményez a szakadás során, ami is növeli a szakadás nehézségét.

Továbbá az ív és szakadási folyamatok során végzett elektromágneses mező elemzés azt mutatja, hogy az elektromágneses mezők jelentősen befolyásolják mindkét folyamatot. Az ív során az elektromágneses mező korlátozó erejét fejt ki, ami korlátozza az ív terjedését. A szakadás során az elektromágneses mező utasító erejét fejt ki, ami kihajtja az ívet, ami befolyásolja a szakadási teljesítményt.

Ezek az eredmények azt mutatják, hogy az ív és szakadási jellemzők összefüggnek, elsősorban a működési paraméterek és az elektromágneses mező-hatások miatt. Tehát az ökológiai gáz-elhárító gyűrűs fővonalas egységek tervezésében és optimalizálásában komplexen kell megfontolni az ív és szakadási jellemzők közötti kapcsolatot, és a tervezést specifikus alkalmazási helyzetekre kell igazítani, hogy optimális teljesítményt érjenek el.

4.Következtetés

Az ökológiai gáz-elhárító gyűrűs fővonalas egységek ív és szakadási jellemzőinek tanulmányozása alapján következtethetünk, hogy ezek a jellemzők jelentősen eltérnek a hagyományos SF₆-elhárító gyűrűs fővonalas egységek jellemzőitől. Az ökológiai gáz-elhárító RMU-k szigorúbban szabályozzák az áram, feszültség és idő paramétereit, ami pontosabb tervezést és optimalizálást igényel. Továbbá az ív és szakadási folyamatok során az elektromágneses mező-eloszlás is eltér: az ív során az elektromágneses mező koncentráltabb és intenzívebb, míg a szakadás során egyenletesebb.

Ahogy az ökológiai gáz-elhárító gyűrűs fővonalas egységek alkalmazása folyamatosan bővül, a jövőbeli kutatások a következő területekre fókuszálhatnak:

• Az ökológiai gáz-elhárító RMU-k tervezésének optimalizálása szimuláció-analízis segítségével.

• Az ív és szakadási jellemzők vizsgálata különböző működési feltételek mellett.

• Az új ökológiai gázok alkalmazási potenciáljának feltárása elhárító gyűrűs fővonalas egységekben.

Összefoglalva ezek a kutatási eredmények nagy jelentőségűek az ökológia-barát gázizolált gyűrűháló egységek fejlesztésének és optimalizálásának előrehaladásához.