Onderzoek naar de boogvorming en onderbrekingskenmerken van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringverdelingskasten

Milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringhoofdschakelkasten (RMU's) zijn belangrijk elektriciteitsdistributieapparatuur in elektrische systemen, met groene, milieuvriendelijke en hoge betrouwbaarheidskenmerken. Tijdens de werking hebben de booggasvorming en -onderbrekingseigenschappen een significant effect op de veiligheid van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's. Daarom is grondig onderzoek naar deze aspecten van groot belang om de veilige en stabiele werking van elektriciteitsystemen te waarborgen. Dit artikel heeft als doel de booggasvorming en -onderbrekingseigenschappen van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's te onderzoeken via experimentele tests en gegevensanalyse, hun patronen en kenmerken te verkennen, met het oog op het bieden van theoretische ondersteuning en technische richtlijnen voor het ontwikkelingsonderzoek van dergelijke apparatuur.

1.Onderzoek naar de Booggasvormingeigenschappen van Milieuvriendelijke Gasgeïsoleerde Ringhoofdschakelkasten

1.1 Basisconcepten en Beïnvloedende Factoren van Milieuvriendelijke Gassen

Milieuvriendelijke gassen verwijzen naar gassen die het ozonlaag niet uitputten. Bekende voorbeelden hiervan zijn stikstof (N₂), droog gecomprimeerde lucht (ontolied en gedehydrateerd), en speciaal samengestelde nieuwe gassen. Milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's bieden voordelen zoals milieuvriendelijkheid, veiligheid en betrouwbaarheid, en worden daarom wijdverspreid gebruikt in elektriciteitssystemen. Het bestuderen van hun booggasvormingeigenschappen vereist begrip van de basisconcepten en beïnvloedende factoren van milieuvriendelijke gassen. 

Fysische en chemische eigenschappen, moleculaire structuur, temperatuur, druk, vochtigheid en andere factoren beïnvloeden de isolatieprestaties en booggasvormend gedrag van deze gassen, wat experimenteel moet worden onderzocht. Daarnaast moeten praktische uitdagingen zoals gasverbruik en recycling worden aangepakt. Daarom is een grondig onderzoek naar de basisconcepten en beïnvloedende factoren van milieuvriendelijke gassen essentieel voor het onderzoek naar booggasvormingeigenschappen in milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's.

1.2 Onderzoeksmethoden en Testopzet voor Booggasvormingeigenschappen

Het onderzoeken van booggasvormingeigenschappen vereist het instellen van een gestandaardiseerde testmethode en experimentele opstelling. Testmethoden omvatten meestal elektrisch testen op basis van booggasfenomenen en chemische analyse. De testopstelling moet zorgen voor herhaalbaarheid, nauwkeurigheid en veiligheid, en bestaat over het algemeen uit een hoogspanningsbron, een booggaskamer, meetinstrumenten en een gegevensverzamelsysteem. De booggaskamer is een cruciale component, die de daadwerkelijke booggasvormingsproces binnen een milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU simuleert. Om boogkenmerken effectief te bestuderen, moet de opstelling passende spanning- en stroomniveaus bieden en real-time registratie mogelijk maken van parameters zoals boogspanning, stroom, duur en bijproducten. Adequate veiligheidsmaatregelen moeten ook worden genomen om ongelukken tijdens het testen te voorkomen.

1.3 Testen en Analyse van Bogenstroom, Spanning en Duur
Bij het bestuderen van boogkenmerken zijn bogenstroom, spanning en duur sleutelelementen. Bogenstroom verwijst naar de grootte van de stroom die door de boogregio stroomt tijdens de boog; boogspanning is het potentiaalverschil over de boogregio; en boogduur is de tijdsperiode vanaf de initiële boog tot de uitdoving. Het meten van deze parameters vereist gespecialiseerde instrumenten zoals hoogspanningsgeneratoren, stroomtransformatoren, spanningstransformatoren en digitale oscilloscopen. Experimenteel testen en gegevensverzameling over deze parameters in milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's, gevolgd door gegevensanalyse, helpen trends en verbanden te onthullen, waardoor het begrip van booggasvormingeigenschappen wordt verdiept en fundamentele gegevens worden geleverd voor verdere studies.

1.4 Analyse van Bijproducten Tijdens Bogen
Tijdens bogen in milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's worden verschillende bijproducten geproduceerd, zoals oxiden, fluoride, chloride en rook, die mogelijk schadelijk kunnen zijn voor het milieu en de menselijke gezondheid. Momenteel worden twee hoofdaanpakken gebruikt om boogbijproducten te analyseren: experimentele analyse en numerieke simulatie. Experimentele analyse omvat het simuleren van het boogproces in een laboratorium, het verzamelen van bijproductmonsters en het uitvoeren van chemische analyses om soorten- en concentratieverdelingen te bepalen. Numerieke simulatie maakt gebruik van computermodellen om bijproductverdeling en reactieroutes te voorspellen. 

Analysetechnieken zoals chromatografie, massaspectrometrie en elektronenmicroscopie worden toegepast in experimentele analyse. In numerieke simulatie worden methoden zoals eindige-elementanalyse en CFD (Computational Fluid Dynamics) gebruikt om de distributie van bijproducten en chemische reactiemechanismen tijdens bogen te modelleren. Resultaten van bijproductanalyse versterken het begrip van chemische reacties en energieomzetting tijdens bogen, en bieden theoretische en technische ondersteuning voor het ontwerp en de toepassing van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's, evenals referentiegegevens voor milieuoverwaaking en personeelsveiligheid.

2. Onderzoek naar Onderbrekingseigenschappen van Milieuvriendelijke Gasgeïsoleerde Ringhoofdschakelkasten

2.1 Basisconcepten en Beïnvloedende Factoren van Onderbrekingsfenomenen
2.1.1 Onderbrekingstestmethoden
Onderbrekingstests zijn een cruciale stap in het onderzoek naar de onderbrekingseigenschappen van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's. Ze worden meestal uitgevoerd met behulp van conventionele experimentele methoden of numerieke simulatie. Conventionele methoden omvatten het bouwen van een onderbrekingstestplatform en het variëren van testomstandigheden (bijvoorbeeld stroom, spanning) om onderbrekingsgedrag te observeren en experimentele gegevens te verzamelen. Numerieke simulatie gebruikt daarentegen computermodellen om fysische fenomenen tijdens onderbreking te simuleren, waardoor grote datasets snel kunnen worden gegenereerd en de onderbrekingsprestaties kunnen worden voorspeld.

2.1.2 Testopstelling
Om onderbrekingskenmerken te bestuderen, moet een specifieke testopstelling worden ontworpen en gebouwd. Deze opstelling omvat een hoogspanningsvoeding, schakelapparatuur en meetinstrumenten. De hoogspanningsvoeding levert energie aan het schakelapparaat, dat de daadwerkelijke onderbreking uitvoert, terwijl de instrumenten de onderbrekingskenmerken meten en registreren.

2.1.3 Testen en Analyseren van Onderbrekingskenmerken
Onderzoek naar onderbrekingskenmerken vereist het testen en analyseren van parameters zoals stroom, spanning en tijd tijdens het onderbrekingsproces. Deze parameters zijn belangrijke indicatoren voor de evaluatie van de onderbrekingsprestaties. Stroom en spanning beschrijven het elektrische gedrag tijdens de onderbreking, terwijl tijd de tijdsafhankelijke dynamiek weerspiegelt. Het analyseren van deze parameters onthult cruciale informatie zoals veranderingstrends in onderbrekingsstroom en -spanning, duur van de onderbreking en de algemene prestaties.

2.2 Onderzoeksmethoden en Testopstelling voor Onderbrekingskenmerken
Gewone methoden voor het bestuderen van onderbrekingskenmerken van milieu-vriendelijke gasgeïsoleerde RMU's omvatten conventionele onderbrekingstests en geavanceerde numerieke simulaties. Conventionele tests betreffen het opzetten van schakel- en belastingsapparatuur in een testrig, variëren van voedingsparameters (spanning, stroom, etc.), observeren van overgangsprocessen tijdens de onderbreking en registreren van parameters zoals stroom, spanning en tijd voor dataprocessing en analyse. 

In vergelijking met conventionele tests bieden numerieke simulaties een hogere nauwkeurigheid bij het modelleren van onderbrekingskenmerken. Met behulp van computersimulatie- en modelleringstechnieken lossen numerieke methoden sleutelfysieke velden op—zoals elektrisch veld, magnetisch veld, temperatuurveld en stromingsveld—tijdens de onderbreking, waarbij rekening wordt gehouden met meerdere factoren waaronder stroom, spanning, elektrodeafstand en omgevingstemperatuur. Bovendien stellen numerieke simulaties de optimalisatie van de RMU-ontwerp toe door material eigenschappen en geometrische configuraties aan te passen.
Voor de testopstelling kunnen hoogspannings DC-voedingen en hoogvermogencapaciteit ontladingseenheden de benodigde hoogspannings- en hoogstroomcondities leveren. Hoogsnelle gegevensverzamelingsystemen en recorders worden gebruikt om onderbrekingsparameters precies vast te leggen. Om herhaalbaarheid en nauwkeurigheid te garanderen, moet de testopstelling gekalibreerd en gevalideerd worden.

2.3 Testen en Analyseren van Onderbrekingsstroom, Spanning en Tijd
Het testen en analyseren van onderbrekingsstroom, spanning en tijd is een cruciaal onderdeel van het bestuderen van onderbrekingskenmerken.
(1) Testdoel: Begrijpen van de onderbrekingskenmerken van milieu-vriendelijke gasgeïsoleerde RMU's door het testen en analyseren van onderbrekingsstroom, spanning en tijd, evalueren van hun prestaties onder werkelijke bedrijfsomstandigheden en het verschaffen van een basis voor de gebruik en verbetering van apparatuur.
(2) Testapparatuur: Digitale ammeters, spanningsvervormers, tijdmetende instrumenten, oscilloscopen en gegevensverzamelingsystemen worden gebruikt om een nauwkeurige meting van stroom, spanning en tijd tijdens de onderbreking te garanderen.
(3) Testprocedures:

• Onderbrekingsstromtest: Voer onderbreking uit onder standaard testomstandigheden, registreer stroomdiagrammen en zorg voor een goede aansluiting tussen de testapparatuur en de RMU. Meet stroomvariaties met stroomvervormers en digitale ammeters.

• Onderbrekingspanningstest: Voer op soortgelijke wijze onderbreking uit onder standaard omstandigheden, registreer spanningdiagrammen en meet spanningveranderingen met spanningsvervormers en digitale voltmeters.

• Onderbrekingstijdstest: Gebruik tijdmetende instrumenten om de tijdsperiode vanaf het begin tot het einde van de onderbrekingsoperatie nauwkeurig te registreren.

• Overgangsprocestest: Gebruik oscilloscopen en gegevensverzamelingsystemen om overgangsstroom- en spanningdiagrammen tijdens de onderbreking vast te leggen voor de analyse van overgangskenmerken.

(4) Gegevensregistratie en -analyse: Registreer stroomdiagrammen, spanningdiagrammen, onderbrekingstijdsgegevens en overgangsdiagrammen. Analyseer of de onderbrekingsstroom aan de ingenieursvereisten voldoet, of de onderbrekingspanning voldoet aan specificaties en of de onderbrekingstijd aan de ontwerpeisen voldoet. Evalueer de invloed van overgangsprocessen op de prestaties en stabiliteit van de apparatuur. Door middel van de bovenstaande gedetailleerde testprocedures wordt er rekening gehouden met alle relevante factoren om nauwkeurige gegevensverzameling en grondige analyse te waarborgen. Resultaten worden weergegeven in Tabel 1.

Tabel 1: Testen en Analyseren van Strom-, Spanning- en Tijdparameters

Door de analyse van Tabel 1 kunnen de volgende conclusies worden getrokken:

• Er is een bepaald verband tussen de onderbrekingsstroom en de spanning; over het algemeen neemt de onderbrekingsstroom toe naarmate de spanning toeneemt.

• De onderbrekingstijd hangt af van zowel stroom als spanning; hoe hoger de stroom en de spanning, hoe korter de onderbrekingstijd.

• Tijdens het testen moet aandacht besteed worden aan het controleren van het bereik van stroom en spanning tijdens de onderbreking om onnauwkeurigheden in de testresultaten te voorkomen die veroorzaakt kunnen worden door waarden die te hoog of te laag zijn. Daarnaast moeten ook andere invloedrijke factoren, zoals de omgevingstemperatuur en -vochtigheid, worden meegewogen.

2.4 Elektromagnetisch veldanalyse tijdens het onderbrekingsproces
Voor de elektromagnetische veldanalyse tijdens het onderbrekingsproces van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringhoofdschakelaars moet een testopstelling worden ingericht om elektromagnetische veldmetingen en -analyses uit te voeren. In het experiment kan een systeem voor elektromagnetische veldmeting worden opgezet om de elektromagnetische velden tijdens het onderbrekingsproces te testen en vast te leggen, zoals weergegeven in Tabel 2.

Tabel 2: Elektromagnetische veldanalyse tijdens het onderbrekingsproces

De analyse van de variaties in het elektromagnetisch veld tijdens het onderbrekingsproces op basis van Tabel 2 toont aan dat op het moment van onderbreking de stroom plotseling naar nul daalt en de magnetische veldsterkte evenredig sterk afneemt. Vervolgens herstelt de magnetische veldsterkte geleidelijk tot de staat voor de onderbreking. Analyse van het elektromagnetisch veld kan belangrijke referentiegegevens bieden voor het ontwerp en optimalisatie van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringhoofdschakelaars.

3.Analyse van Onderzoeksresultaten over Boogvorming en Onderbrekingskenmerken
3.1 Data-analyse en -verwerking van Parameters tijdens Boogvorming en Onderbrekingsprocessen
Tijdens boogvormings- en onderbrekingstests werden parameters zoals stroom, spanning en tijd afzonderlijk gemeten om de kenmerken van boogvorming en onderbreking te analyseren. Bij de gegevensverwerking werden statistische methoden gebruikt om het gemiddelde, de standaardafwijking en de variantiecoëfficiënt voor elke parameter te berekenen.

① De gegevens van de boogvormingstest werden geanalyseerd en verwerkt. De gemiddelde waarden van de boogvormingstroom, spanning en tijd waren respectievelijk 8,5 kA, 4,2 kV en 2,5 ms. Ook werden de standaardafwijkingen en variantiecoëfficiënten berekend om de verdeling en stabiliteit van de testgegevens te begrijpen. De resultaten lieten zien dat de standaardafwijking van de boogvormingstroom 0,8 kA was met een variantiecoëfficiënt van 9,4%; de standaardafwijking van de boogvormingspanning was 0,4 kV met een variantiecoëfficiënt van 9,5%; en de standaardafwijking van de boogvormingstijd was 0,2 ms met een variantiecoëfficiënt van 8,0%. Dit duidt erop dat de gegevens van de boogvormingstest een relatief stabiele verdeling en hoge betrouwbaarheid vertoonden.

② De gegevens van de onderbrekingstest werden geanalyseerd en verwerkt. De gemiddelde waarden van de onderbrekingstroom, spanning en tijd waren respectievelijk 3,5 kA, 3,8 kV en 3,0 ms. Op vergelijkbare wijze werden ook de standaardafwijkingen en variantiecoëfficiënten berekend. De resultaten lieten zien dat de standaardafwijking van de onderbrekingstroom 0,5 kA was met een variantiecoëfficiënt van 14,3%; de standaardafwijking van de onderbrekingspanning was 0,3 kV met een variantiecoëfficiënt van 7,9%; en de standaardafwijking van de onderbrekingstijd was 0,1 ms met een variantiecoëfficiënt van 4,4%. Dit suggereert dat de gegevens van de onderbrekingstest relatief minder stabiel waren en een lagere betrouwbaarheid hadden.

Op basis van de bovengenoemde gegevensanalyse kan worden geconcludeerd dat de betrouwbaarheid van de gegevens van de boogvormingstest hoger is dan die van de gegevens van de onderbrekingstest, mogelijk vanwege de complexe elektromagnetische velden die bij het onderbrekingsproces betrokken zijn, wat verdere grondige studie vereist. Bovendien kan de relatie tussen de kenmerken van boogvorming en onderbreking verder worden onderzocht op basis van de testgegevens.

3.2 Analyse van de Relatie tussen Kenmerken van Boogvorming en Onderbreking
Door de parameters van zowel de boogvorming als de onderbreking te analyseren en te verwerken, kan de relatie tussen de kenmerken van boogvorming en onderbreking verder worden bestudeerd. Zowel de kenmerken van boogvorming als die van onderbreking zijn sleutelperformantie-indicatoren van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringhoofdschakelaars, en het begrip van hun onderlinge relatie kan waardevolle richtlijnen bieden voor ontwerp en optimalisatie.

Vanuit het perspectief van de kenmerken van boogvorming en onderbreking hebben parameters zoals stroom, spanning en tijd verschillende invloeden op de twee processen. Tijdens de boogvorming zijn de boogvormingstroom en -duur de primaire parameters, terwijl de spanning ook een bepaalde invloed heeft. In tegenstelling daarmee is tijdens de onderbreking de onderbrekingstroom de dominante parameter, met tijd en spanning die ook rollen spelen. Daarom moeten bij de analyse van de relatie tussen de kenmerken van boogvorming en onderbreking de respectieve kernparameters apart worden beschouwd.

De gegevensanalyse toont een bepaalde correlatie tussen de kenmerken van boogvorming en onderbreking:

• Een toename van de boogvormingstroom en -spanning leidt tot een hogere generatie van boogbijproducten en grotere energieverbruik tijdens de boogvorming, waardoor de moeilijkheid van de onderbreking toeneemt.

• Een toename van de onderbrekingstroom resulteert in hogere boogenergie tijdens de onderbreking, wat ook de moeilijkheid van de onderbreking verhoogt.

Bovendien toont de analyse van het elektromagnetisch veld tijdens boogvorming en onderbreking aan dat elektromagnetische velden beide processen aanzienlijk beïnvloeden. Tijdens de boogvorming oefent het elektromagnetisch veld een beperkende kracht uit die de boogdiffusie beperkt. Tijdens de onderbreking genereert het elektromagnetisch veld een afstotende kracht die de boog naar buiten duwt, wat de onderbrekingsprestaties beïnvloedt.

Deze bevindingen duiden erop dat de kenmerken van boogvorming en onderbreking met elkaar verband houden, voornamelijk beïnvloed door hun belangrijkste werkingsparameters en de effecten van elektromagnetische velden. Daarom moeten bij het ontwerp en optimalisatie van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringhoofdschakelaars de relatie tussen de kenmerken van boogvorming en onderbreking volledig worden meegewogen, en moet het ontwerp worden aangepast aan specifieke toepassingsscenario's om optimale prestaties te bereiken.

4.Conclusie

Via het onderzoek naar de kenmerken van boogvorming en onderbreking van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringhoofdschakelaars kan worden geconcludeerd dat deze kenmerken aanzienlijk verschillen van die van traditionele SF₆-geïsoleerde ringhoofdschakelaars. Milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's stellen strengere eisen aan parameters zoals stroom, spanning en tijd, wat meer precies ontwerp en optimalisatie noodzakelijk maakt. Bovendien verschilt de verdeling van het elektromagnetisch veld tijdens boogvorming en onderbreking: tijdens de boogvorming is het elektromagnetisch veld meer geconcentreerd en intens, terwijl het tijdens de onderbreking meer uniform is.

Naarmate de toepassing van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringhoofdschakelaars zich blijft uitbreiden, kunnen toekomstige studies zich richten op de volgende aspecten:

• Het optimaliseren van het ontwerp van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde RMU's door middel van simulatieanalyse.

• Het onderzoeken van de kenmerken van boogvorming en onderbreking onder verschillende werkomstandigheden.

• Het verkennen van het toepassingspotentieel van nieuwe milieuvriendelijke gassen in geïsoleerde ringhoofdschakelaars.

Samenvattend zijn deze onderzoeksresultaten van groot belang voor de ontwikkeling en optimalisatie van milieuvriendelijke gasgeïsoleerde ringkasten.