Ricerca sulle caratteristiche di arco e interruzione delle unità principali ad anello a gas isolante ecologico

Le unità di distribuzione a anello (RMU) a gas isolante ecologico sono importanti apparecchiature di distribuzione elettrica nei sistemi elettrici, caratterizzate da proprietà verdi, ecologiche e ad alta affidabilità. Durante l'operazione, le caratteristiche di formazione e interruzione dell'arco influenzano significativamente la sicurezza delle RMU a gas isolante ecologico. Pertanto, una ricerca approfondita su questi aspetti è di grande importanza per garantire il funzionamento sicuro e stabile dei sistemi di potenza. Questo articolo mira a indagare sulle caratteristiche di formazione e interruzione dell'arco nelle RMU a gas isolante ecologico attraverso test sperimentali e analisi dei dati, esplorandone i modelli e le caratteristiche, con l'obiettivo di fornire supporto teorico e orientamento tecnico per la ricerca e lo sviluppo di tali apparecchiature.

1.Ricerca sulle Caratteristiche di Formazione dell'Arco nelle Unità di Distribuzione a Anello a Gas Isolante Ecologico

1.1 Concetti di Base e Fattori Influenti dei Gas Ecologici

I gas ecologici si riferiscono a gas che non impoveriscono lo strato di ozono. Esempi comuni includono azoto (N₂), aria compressa secca (disidratata e priva di oli), e gas nuovi formulati appositamente. Le RMU a gas isolante ecologico offrono vantaggi come rispetto ambientale, sicurezza e affidabilità, e sono quindi ampiamente utilizzate nei sistemi di potenza. Studiare le loro caratteristiche di formazione dell'arco richiede la comprensione dei concetti di base e dei fattori influenti dei gas ecologici. 

Le proprietà fisiche e chimiche, la struttura molecolare, la temperatura, la pressione, l'umidità e altri fattori influenzano le prestazioni di isolamento e il comportamento di formazione dell'arco di questi gas, che devono essere indagati sperimentalmente. Inoltre, sfide pratiche come il volume di consumo del gas e la riciclabilità devono essere affrontate. Pertanto, uno studio approfondito dei concetti fondamentali e dei fattori influenti dei gas ecologici è essenziale per la ricerca sulle caratteristiche di formazione dell'arco nelle RMU a gas isolante ecologico.

1.2 Metodi di Ricerca e Impianto Sperimentale per le Caratteristiche di Formazione dell'Arco

L'indagine sulle caratteristiche di formazione dell'arco richiede l'istituzione di una metodologia di test standardizzata e un impianto sperimentale. I metodi di test comprendono tipicamente prove elettriche basate sui fenomeni dell'arco e analisi chimiche. L'impianto di test deve garantire ripetibilità, precisione e sicurezza, solitamente comprendendo una sorgente ad alta tensione, una camera d'arco, strumenti di misura e un sistema di acquisizione dati. La camera d'arco è un componente critico, simulando il processo effettivo di formazione dell'arco all'interno di una RMU a gas isolante ecologico. Per studiare efficacemente le caratteristiche dell'arco, l'impianto deve fornire livelli appropriati di tensione e corrente e consentire la registrazione in tempo reale di parametri come tensione dell'arco, corrente, durata e sottoprodotti. Devono essere implementate anche adeguate misure di sicurezza per prevenire incidenti durante i test.

1.3 Test e Analisi della Corrente, Tensione e Durata dell'Arco
Nelle ricerche sulle caratteristiche dell'arco, la corrente, la tensione e la durata dell'arco sono parametri chiave. La corrente dell'arco si riferisce all'entità della corrente che scorre nella regione dell'arco durante l'arco; la tensione dell'arco è la differenza di potenziale tra le due estremità dell'arco; e la durata dell'arco è l'intervallo di tempo dall'inizio alla fine dell'arco. La misurazione di questi parametri richiede strumenti specializzati come generatori ad alta tensione, trasformatori di corrente, trasformatori di tensione e oscilloscopi digitali. I test sperimentali e la raccolta di dati su questi parametri nelle RMU a gas isolante ecologico, seguiti dall'analisi dei dati, aiutano a rivelare tendenze e relazioni, approfondendo la comprensione delle caratteristiche di formazione dell'arco e fornendo dati di base per ulteriori ricerche.

1.4 Analisi dei Sottoprodotti dell'Arco Durante l'Arcing
Durante l'arco nelle RMU a gas isolante ecologico, vengono generati vari sottoprodotti, come ossidi, fluoruri, cloruri e fumi, che possono costituire pericoli per l'ambiente e la salute umana. Attualmente, ci sono due principali approcci per analizzare i sottoprodotti dell'arco: l'analisi sperimentale e la simulazione numerica. L'analisi sperimentale implica la simulazione del processo di arco in laboratorio, la raccolta di campioni di sottoprodotti e l'analisi chimica per determinare la distribuzione delle specie e delle concentrazioni. La simulazione numerica utilizza modelli computazionali per prevedere la distribuzione dei sottoprodotti e i percorsi di reazione. 

Tecnologie analitiche come cromatografia, spettrometria di massa e microscopia elettronica sono utilizzate nell'analisi sperimentale. Nella simulazione numerica, metodi come l'analisi agli elementi finiti e la CFD (Dinamica dei Fluidi Computazionale) sono utilizzati per modellare la distribuzione dei sottoprodotti e i meccanismi di reazione chimica durante l'arco. I risultati dell'analisi dei sottoprodotti migliorano la comprensione delle reazioni chimiche e della conversione energetica durante l'arco, fornendo supporto teorico e tecnico per la progettazione e l'applicazione delle RMU a gas isolante ecologico, nonché dati di riferimento per il monitoraggio ambientale e la sicurezza del personale.

2. Ricerca sulle Caratteristiche di Interruzione delle Unità di Distribuzione a Anello a Gas Isolante Ecologico

2.1 Concetti di Base e Fattori Influenti dei Fenomeni di Interruzione
2.1.1 Metodi di Test di Interruzione
I test di interruzione sono un passaggio critico nello studio delle caratteristiche di interruzione delle RMU a gas isolante ecologico. Sono solitamente condotti utilizzando metodi sperimentali convenzionali o simulazione numerica. I metodi convenzionali implicano la costruzione di una piattaforma di test di interruzione e la variazione delle condizioni di test (ad esempio, corrente, tensione) per osservare il comportamento di interruzione e raccogliere dati sperimentali. La simulazione numerica, invece, utilizza modelli al computer per simulare i fenomeni fisici durante l'interruzione, consentendo la rapida generazione di grandi set di dati e la previsione delle prestazioni di interruzione.

2.1.2 Configurazione del test
Per studiare le caratteristiche di interruzione, è necessario progettare e costruire una configurazione di test dedicata. Questa configurazione include un alimentatore ad alta tensione, dispositivi di commutazione e strumenti di misura. L'alimentatore ad alta tensione fornisce energia al dispositivo di commutazione, che esegue l'effettiva operazione di interruzione, mentre gli strumenti misurano e registrano le caratteristiche di interruzione.

2.1.3 Prove e analisi dei parametri caratteristici di interruzione
La ricerca sulle caratteristiche di interruzione richiede prove e analisi di parametri come corrente, tensione e tempo durante il processo di interruzione. Questi parametri sono indicatori chiave per valutare le prestazioni di interruzione. Corrente e tensione descrivono il comportamento elettrico durante l'interruzione, mentre il tempo riflette la dinamica temporale. L'analisi di questi parametri rivela informazioni critiche come le tendenze di variazione della corrente e della tensione di interruzione, la durata dell'interruzione e le prestazioni complessive.

2.2 Metodi di ricerca e configurazione del test per le caratteristiche di interruzione
I metodi comuni per studiare le caratteristiche di interruzione delle RMU a gas isolante ecologico includono prove di interruzione convenzionali e simulazioni numeriche avanzate. Le prove convenzionali prevedono l'allestimento di dispositivi di commutazione e carico in una piastra di prova, variando i parametri di alimentazione (tensione, corrente, ecc.), osservando i processi transitori durante l'interruzione e registrando parametri come corrente, tensione e tempo per il trattamento e l'analisi dei dati. 

A differenza delle prove convenzionali, le simulazioni numeriche offrono una maggiore accuratezza nella modellizzazione delle caratteristiche di interruzione. Utilizzando tecniche di simulazione e modellazione al computer, i metodi numerici risolvono campi fisici chiave, come campo elettrico, campo magnetico, campo termico e campo di flusso, durante l'interruzione, tenendo conto di numerosi fattori, tra cui corrente, tensione, distanza tra elettrodi e temperatura ambiente. Inoltre, le simulazioni numeriche consentono di ottimizzare la progettazione delle RMU regolando le proprietà dei materiali e le configurazioni geometriche.
Per la configurazione del test, alimentatori ad alta tensione in corrente continua e unità di scarica di condensatori ad alta potenza possono fornire le condizioni di alta tensione e alta corrente necessarie. Sistemi di acquisizione dati ad alta velocità e registratori vengono utilizzati per catturare con precisione i parametri di interruzione. Per garantire ripetibilità e accuratezza, la configurazione del test deve essere tarata e validata.

2.3 Prove e analisi della corrente, tensione e tempo di interruzione
Le prove e l'analisi della corrente, tensione e tempo di interruzione sono una parte cruciale dello studio delle caratteristiche di interruzione.
(1) Obiettivo del test: Comprendere le caratteristiche di interruzione delle RMU a gas isolante ecologico tramite prove e analisi della corrente, tensione e tempo di interruzione, valutare le loro prestazioni nelle condizioni operative reali e fornire una base per l'utilizzo e il miglioramento degli apparecchi.
(2) Equipaggiamento di prova: Ampèremetri digitali, trasformatori di tensione, strumenti di misura del tempo, oscilloscopi e sistemi di acquisizione dati vengono utilizzati per garantire la misurazione accurata della corrente, tensione e tempo durante l'interruzione.
(3) Procedure di prova:

• Prova di corrente di interruzione: Eseguire l'interruzione in condizioni standard di prova, registrare i diagrammi della corrente e assicurarsi che ci sia una connessione adeguata tra l'equipaggiamento di prova e la RMU. Misurare le variazioni di corrente utilizzando trasformatori di corrente e ampèremetri digitali.

• Prova di tensione di interruzione: Analogamente, eseguire l'interruzione in condizioni standard, registrare i diagrammi della tensione e misurare le variazioni di tensione utilizzando trasformatori di tensione e voltmetri digitali.

• Prova del tempo di interruzione: Utilizzare strumenti di misura del tempo per registrare con precisione l'intervallo di tempo dall'inizio alla fine dell'operazione di interruzione.

• Prova del processo transitorio: Utilizzare oscilloscopi e sistemi di acquisizione dati per catturare i diagrammi transitori di corrente e tensione durante l'interruzione per l'analisi delle caratteristiche transitorie.

(4) Registrazione e analisi dei dati: Registrare i diagrammi della corrente, i diagrammi della tensione, i dati del tempo di interruzione e i diagrammi transitori. Analizzare se la corrente di interruzione soddisfa i requisiti ingegneristici, se la tensione di interruzione è conforme alle specifiche e se il tempo di interruzione soddisfa i criteri di progettazione. Valutare l'impatto dei processi transitori sulle prestazioni e sulla stabilità dell'apparecchiatura. Attraverso le procedure di prova dettagliate sopra, la considerazione complessiva di tutti i fattori rilevanti garantisce la raccolta accurata dei dati e l'analisi approfondita. I risultati sono riportati nella Tabella 1.

Tabella 1: Prove e analisi dei parametri di corrente, tensione e tempo

Attraverso l'analisi della Tabella 1, si possono trarre le seguenti conclusioni:

• C'è una certa relazione tra la corrente di interruzione e la tensione; generalmente, la corrente di interruzione aumenta al crescere della tensione.

• Il tempo di interruzione è legato sia alla corrente che alla tensione; quanto maggiore è la corrente e la tensione, tanto più breve sarà il tempo di interruzione.

• Durante i test, si dovrebbe prestare attenzione a controllare l'intervallo di corrente e tensione durante l'interruzione per evitare inesattezze nei risultati del test causate da valori troppo alti o troppo bassi. Inoltre, altri fattori influenti, come la temperatura e l'umidità ambientale, dovrebbero essere considerati.

2.4 Analisi del campo elettromagnetico durante il processo di interruzione
Per l'analisi del campo elettromagnetico durante il processo di interruzione delle unità principali a anello isolate con gas ecologico, deve essere stabilita una configurazione di test per effettuare misurazioni e analisi del campo elettromagnetico. Nell'esperimento, può essere impostato un sistema di misurazione del campo elettromagnetico per testare e registrare il campo elettromagnetico durante il processo di interruzione, come mostrato nella Tabella 2.

Tabella 2: Analisi del campo elettromagnetico durante il processo di spezzamento

L'analisi delle variazioni del campo elettromagnetico durante il processo di interruzione, basata sulla Tabella 2, rivela che al momento dell'interruzione la corrente scende improvvisamente a zero e l'intensità del campo magnetico diminuisce di conseguenza in modo netto. Successivamente, l'intensità del campo magnetico si ripristina gradualmente allo stato precedente all'interruzione. L'analisi del campo elettromagnetico può fornire dati di riferimento importanti per la progettazione e l'ottimizzazione dei sezionatori ad anello isolati con gas ecologici.

3. Analisi dei risultati della ricerca sulle caratteristiche di arco e di interruzione
3.1 Analisi ed elaborazione dei dati dei parametri durante i processi di arco e di interruzione
Durante i test di arco e di interruzione, sono stati misurati separatamente parametri come corrente, tensione e tempo per analizzare le caratteristiche di arco e di interruzione. Nell'elaborazione dei dati sono stati impiegati metodi statistici per calcolare media, deviazione standard e coefficiente di variazione per ciascun parametro.

① Sono stati analizzati ed elaborati i dati del test di arco. I valori medi di corrente d'arco, tensione d'arco e durata d'arco erano rispettivamente 8,5 kA, 4,2 kV e 2,5 ms. Sono state calcolate anche la deviazione standard e il coefficiente di variazione per comprendere la distribuzione e la stabilità dei dati del test. I risultati hanno mostrato che la deviazione standard della corrente d'arco era di 0,8 kA con un coefficiente di variazione del 9,4%; la deviazione standard della tensione d'arco era di 0,4 kV con un coefficiente di variazione del 9,5%; e la deviazione standard della durata d'arco era di 0,2 ms con un coefficiente di variazione dell'8,0%. Ciò indica che i dati del test di arco presentavano una distribuzione relativamente stabile e un'elevata affidabilità.

② Sono stati analizzati ed elaborati i dati del test di interruzione. I valori medi di corrente di interruzione, tensione di interruzione e durata di interruzione erano rispettivamente 3,5 kA, 3,8 kV e 3,0 ms. Analogamente, sono state calcolate deviazione standard e coefficiente di variazione. I risultati hanno mostrato che la deviazione standard della corrente di interruzione era di 0,5 kA con un coefficiente di variazione del 14,3%; la deviazione standard della tensione di interruzione era di 0,3 kV con un coefficiente di variazione del 7,9%; e la deviazione standard della durata di interruzione era di 0,1 ms con un coefficiente di variazione del 4,4%. Ciò suggerisce che i dati del test di interruzione erano relativamente meno stabili e avevano un'affidabilità inferiore.

Sulla base dell'analisi dei dati sopra riportati, si può concludere che l'affidabilità dei dati del test di arco è superiore a quella dei dati del test di interruzione, probabilmente a causa dei campi elettromagnetici complessi coinvolti nel processo di interruzione, aspetto che richiede ulteriori indagini approfondite. Inoltre, la relazione tra le caratteristiche di arco e di interruzione può essere ulteriormente esplorata sulla base dei dati sperimentali.

3.2 Analisi della relazione tra le caratteristiche di arco e di interruzione
Analizzando ed elaborando i parametri provenienti sia dai processi di arco che di interruzione, è possibile studiare ulteriormente la relazione tra le caratteristiche di arco e di interruzione. Entrambe le caratteristiche sono indicatori chiave delle prestazioni dei sezionatori ad anello isolati con gas ecologici, e comprenderne l'interrelazione può fornire indicazioni preziose per la progettazione e l'ottimizzazione.

Dal punto di vista delle caratteristiche di arco e di interruzione, parametri come corrente, tensione e tempo influenzano i due processi in modo diverso. Durante l'arco, la corrente d'arco e la sua durata sono i parametri principali, mentre la tensione ha comunque un certo effetto. Al contrario, durante l'interruzione, la corrente di interruzione è il parametro dominante, con il tempo e la tensione che svolgono anch'essi un ruolo. Pertanto, nell'analizzare la relazione tra le caratteristiche di arco e di interruzione, è necessario considerare separatamente i rispettivi parametri chiave.

L'analisi dei dati mostra una certa correlazione tra le caratteristiche di arco e di interruzione:

• Un aumento della corrente e della tensione d'arco porta a una maggiore generazione di sottoprodotti dell'arco e a un maggior consumo energetico durante l'arco, aumentando così la difficoltà di interruzione.

• Un aumento della corrente di interruzione comporta una maggiore energia dell'arco durante l'interruzione, il che aumenta anch'esso la difficoltà di interruzione.

Inoltre, l'analisi del campo elettromagnetico durante l'arco e l'interruzione rivela che i campi elettromagnetici influenzano in modo significativo entrambi i processi. Durante l'arco, il campo elettromagnetico esercita una forza di contenimento che limita la diffusione dell'arco. Durante l'interruzione, il campo elettromagnetico genera una forza repulsiva che spinge l'arco verso l'esterno, influenzando le prestazioni di interruzione.

Questi risultati indicano che le caratteristiche di arco e di interruzione sono interconnesse, principalmente influenzate dai loro parametri operativi chiave e dagli effetti del campo elettromagnetico. Pertanto, nella progettazione e nell'ottimizzazione dei sezionatori ad anello isolati con gas ecologici, si dovrebbe prendere in considerazione in modo completo la relazione tra le caratteristiche di arco e di interruzione, e le progettazioni dovrebbero essere adattate a scenari applicativi specifici per raggiungere prestazioni ottimali.

4. Conclusioni

Attraverso lo studio delle caratteristiche di arco e di interruzione dei sezionatori ad anello isolati con gas ecologici, si può concludere che tali caratteristiche differiscono significativamente da quelle dei sezionatori ad anello tradizionali isolati in SF₆. I sezionatori ad anello isolati con gas ecologici impongono requisiti più severi sui parametri come corrente, tensione e tempo, richiedendo una progettazione e un'ottimizzazione più precise. Inoltre, la distribuzione del campo elettromagnetico durante l'arco e l'interruzione è differente: durante l'arco, il campo elettromagnetico è più concentrato e intenso, mentre durante l'interruzione è più uniforme.

Con l'espansione continua dell'applicazione dei sezionatori ad anello isolati con gas ecologici, le future ricerche potrebbero concentrarsi sui seguenti aspetti:

• Ottimizzare la progettazione dei sezionatori ad anello isolati con gas ecologici attraverso l'analisi mediante simulazione.

• Studiare le caratteristiche di arco e di interruzione in diverse condizioni operative.

• Esplorare il potenziale applicativo di nuovi gas ecologici nei sezionatori ad anello isolati.

In sintesi, questi risultati di ricerca sono di grande significato per il progresso e l'ottimizzazione delle unità principali ad anello isolate con gas ecologiche.