Forskning på bue- og avbrytningsegenskaper for miljøvennlige gassisolerede ringhovedenheter

Miljøvennlige gassisolerte ringhovedenheter (RMUer) er viktige kraftfordelingsutstyr i elektriske systemer, med grønne, miljøvennlige og høytilføyelige egenskaper. Under drift har bueformasjon og -avbruddsegenskaper en betydelig innvirkning på sikkerheten til miljøvennlige gassisolerte RMUer. Derfor er dypgående forskning på disse aspektene av stor betydning for å sikre sikkert og stabilt drift av kraftsystemer. Denne artikkelen har som mål å undersøke bueformasjon og -avbruddsegenskaper hos miljøvennlige gassisolerte RMUer gjennom eksperimentell testing og dataanalyse, for å utforske deres mønstre og trekk, med målet om å gi teoretisk støtte og teknisk veiledning for utviklingen av slikt utstyr.

1. Forskning på bueformasjonsegenskaper hos miljøvennlige gassisolerte ringhovedenheter

1.1 Gruunnleggende konsepter og påvirkende faktorer for miljøvennlige gasser

Miljøvennlige gasser refererer til gasser som ikke uttømmer ozonlaget. Vanlige eksempler inkluderer nitrogen (N₂), tørt komprimert luft (utan olje og fuktighet), og spesielt formidlete nye gasser. Miljøvennlige gassisolerte RMUer gir fordeler som miljøvennlighet, sikkerhet og tilføyelighet, og blir derfor bredt brukt i kraftsystemer. For å studere deres bueformasjonsegenskaper, kreves det forståelse for de grunnleggende konseptene og påvirkende faktorene for miljøvennlige gasser. 

Fysiske og kjemiske egenskaper, molekylær struktur, temperatur, trykk, fuktighet og andre faktorer påvirker isolasjonsytelsen og buedannelsesatferd hos disse gassene, som må undersøkes eksperimentelt. I tillegg må praktiske utfordringer som gassforbruk og gjenbrukbarhet håndteres. Derfor er dypgående studie av de grunnleggende konseptene og påvirkende faktorene for miljøvennlige gasser nødvendig for å forsk på bueformasjonsegenskaper i miljøvennlige gassisolerte RMUer.

1.2 Forskningsmetoder og testoppsett for bueformasjonsegenskaper

For å undersøke bueformasjonsegenskaper kreves det et standardisert testmetode og eksperimentelt oppsett. Testmetoder inkluderer vanligvis elektriske tester basert på buefenomener og kjemisk analyse. Testoppsettet må sikre repetitivitet, nøyaktighet og sikkerhet, og består generelt av en høyspændingskilde, en buerekammer, måleinstrumenter og et datainnsamlingsystem. Buerekammeret er en kritisk komponent som simulerer den faktiske bueformasjonsprosessen inne i en miljøvennlig gassisolert RMU. For å studere bueegenskaper effektivt, må oppsettet gi passende spenning- og strømnivåer, samt muligheten for sanntidsoversikt over parametre som buespenning, strøm, varighet og biprodukter. Tiltak for adekvat sikkerhet må også implementeres for å forebygge uhell under testing.

1.3 Testing og analyse av buestrøm, spenning og varighet
I studier av bueegenskaper er buestrøm, spenning og varighet nøkkelparametre. Buestrøm refererer til størrelsen på strømmen som flyter gjennom bueregionen under buing; buespenning er potensialforskjellen over bueregionen; og buevarighet er tidsintervallet fra buestart til buetilbakekalling. Måling av disse parametrene krever spesialiserte instrumenter som høyspændingsgeneratorer, strømtransformatorer, spenningstransformatorer og digitale oscilloskop. Eksperimentell testing og innsamling av data på disse parametrene i miljøvennlige gassisolerte RMUer, fulgt av dataanalyse, hjelper med å avsløre trender og sammenhenger, noe som dypner forståelsen av bueformasjonsegenskaper og gir grunnleggende data for videre forskning.

1.4 Analyse av buebiprodukter under buing
Under buing i miljøvennlige gassisolerte RMUer dannes ulike biprodukter, som oksider, fluorider, klorider og røyk, som kan være skadelige for miljøet og menneskelig helse. For øyeblikket brukes to hovedtilnærminger for å analysere buebiprodukter: eksperimentell analyse og numerisk simulering. Eksperimentell analyse involverer simulering av buingprosessen i et laboratorium, innsamling av biproduktsprøver, og kjemisk analyse for å fastsette arter og konsentrasjonsfordeling. Numerisk simulering bruker beregningsmessige modeller for å forutsi biproduktsfordeling og reaksjonshodvegar. 

Analyseteknikker som kjromatografi, massespektrometri og elektronmikroskopi brukes i eksperimentell analyse. I numerisk simulering brukes metoder som endelig elementanalyse og CFD (Computational Fluid Dynamics) for å modellere fordelingen av biprodukter og kjemiske reaksjonsmekanismer under buing. Resultater fra biproduktanalyse forbedrer forståelsen av kjemiske reaksjoner og energiomforming under buing, og gir teoretisk og teknisk støtte for design og bruk av miljøvennlige gassisolerte RMUer, samt referanseedata for miljøovervåking og personell sikkerhet.

2. Forskning på avbruddsegenskaper hos miljøvennlige gassisolerte ringhovedenheter

2.1 Gruunnleggende konsepter og påvirkende faktorer for avbruddsfenomener
2.1.1 Avbruddstestmetoder
Avbruddstesting er et kritisk trinn i studiet av avbruddsegenskaper hos miljøvennlige gassisolerte RMUer. Det utføres vanligvis ved hjelp av enten konvensjonelle eksperimentelle metoder eller numerisk simulering. Konvensjonelle metoder involverer bygging av et avbruddstestplatform og variasjon av testbetingelser (som strøm, spenning) for å observere avbruddsatferd og samle inn eksperimentelle data. Numerisk simulering bruker derimot datamodeller for å simulere fysiske fenomener under avbrudd, noe som tillater rask generering av store datasett og forutsigelse av avbruddsyting.

2.1.2 Testoppsett
For å studere avbrytelsesegenskaper, må et dedikert testoppsett for avbryting designes og konstrueres. Dette oppsettet inkluderer en høyspennings strømforsyning, skruddyrking utstyr og måleinstrumenter. Høyspennings strømforsyningen gir energi til skruddyrkingenheten, som utfører den faktiske avbrytingsoperasjonen, mens instrumentene måler og registrerer avbrytelsesegenskapene.

2.1.3 Testing og analyse av avbrytelsesparametre
Forskning på avbrytelsesegenskaper krever testing og analyse av parametre som strøm, spenning og tid under avbrytingsprosessen. Disse parametrene er nøkkelparametre for vurdering av avbrytingsytelse. Strøm og spenning beskriver elektrisk atferd under avbryting, mens tid reflekterer tidsmessig dynamikk. Analyse av disse parametrene avslører kritisk informasjon som variasjonstrender i avbrytelsesstrøm og -spenning, avbrytelsesvarighet og total ytelse.

2.2 Forskningsmetoder og testoppsett for avbrytelsesegenskaper
Vanlige metoder for å studere avbrytelsesegenskaper hos miljøvennlige gassisolerende RMU-er inkluderer konvensjonelle avbrytingstester og avanserte numeriske simuleringer. Konvensjonelle tester involverer oppsett av skruddyrking og lastenheter i et testrigg, variering av strømforsyningsparametre (spenning, strøm osv.), observasjon av overgangsprosesser under avbryting, og innspilling av parametre som strøm, spenning og tid for datahåndtering og analyse. 

Sammenlignet med konvensjonelle tester, gir numeriske simuleringer høyere nøyaktighet i modellering av avbrytelsesegenskaper. Ved hjelp av datamodellering og simuleringsteknikker, løser numeriske metoder nøkkel fysiske felt—som elektrisk felt, magnetisk felt, temperaturfelt og strømningsfelt—under avbryting, samtidig som de tar hensyn til flere faktorer, inkludert strøm, spenning, elektrodavstand og omgivelsistemperatur. I tillegg lar numeriske simuleringer optimalisering av RMU-design ved justering av materiallegenskaper og geometriske konfigurasjoner.
For testoppsettet kan høyspennings DC-strømforsyninger og høyeffekt kondensatorutløsningsenheter gi de nødvendige høyspennings- og høystrømsforhold. Hurtig datainnsamlingsystemer og logger brukes for å presist fange avbrytelsesparametre. For å sikre repetitivitet og nøyaktighet, må testoppsettet kalibreres og validere.

2.3 Testing og analyse av avbrytelsesstrøm, spenning og tid
Testing og analyse av avbrytelsesstrøm, spenning og tid er en viktig del av studien av avbrytelsesegenskaper.
(1) Testmål: Forstå avbrytelsesegenskapene hos miljøvennlige gassisolerende RMU-er gjennom testing og analyse av avbrytelsesstrøm, spenning og tid, vurdere deres ytelse under reale driftsforhold, og gi grunnlag for utnyttelse og forbedring av utstyr.
(2) Testutstyr: Digitale amperemalere, spenningsoverførere, tidmålinginstrumenter, oscilloskop og datainnsamlingsystemer brukes for å sikre nøyaktig måling av strøm, spenning og tid under avbryting.
(3) Testprosedurer:

• Avbrytelsesstrømtest: Utfør avbryting under standardtestforhold, registrer strømbølger, og sørge for riktig kobling mellom testutstyr og RMU-en. Mål strømvariasjoner ved hjelp av strømoverførere og digitale amperemalere.

• Avbrytesspenningstest: På samme måte, utfør avbryting under standardforhold, registrer spenningbølger, og mål spenningendringer ved hjelp av spenningsoverførere og digitale spenningmalere.

• Avbrytingstidtest: Bruk tidmålinginstrumenter for å nøyaktig registrere tidsintervallet fra start til fullføring av avbrytingsoperasjonen.

• Overgangsprosess-test: Bruk oscilloskop og datainnsamlingsystemer for å fange overgangsstrøm- og spenningbølger under avbryting for analyse av overgangsegenskaper.

(4) Dataregistrering og analyse: Registrer strømbølger, spenningbølger, avbrytingstidsdata og overgangsbølger. Analyser om avbrytelsesstrømmen oppfyller ingeniørfordelene, om avbrytesspenningen er i samsvar med spesifikasjoner, og om avbrytingstiden tilfredsstiller designeksteria. Vurder effekten av overgangsprosesser på utstyrsytelse og stabilitet. Gjennom de ovennevnte detaljerte testprosedurene, sikres nøyaktig datainnsamling og dypgående analyse. Resultater vises i tabell 1.

Tabell 1: Testing og analyse av strøm-, spenning- og tidparametre

Gjennom analyse av tabell 1 kan følgende konklusjoner trekkes:

• Det er en viss sammenheng mellom avbrytelsesstrøm og spenning; generelt øker avbrytelsesstrømmen når spenningen øker.

• Avbrytelsestiden er relatert til både strøm og spenning; jo høyere strøm og spenning, jo kortere avbrytelsestid.

• Under testing bør man merke seg kontrollen av strøm- og spenningsområdet under avbrytelsen for å unngå nøyaktighetsfeil i testresultatene forårsaket av verdier som er for høye eller for lave. I tillegg bør andre påvirkende faktorer, som omgivende temperatur og fuktighet, også tas i betraktning.

2.4 Analyse av magnetfeltet under avbrytelsesprosessen
For analyse av magnetfeltet under avbrytelsesprosessen av miljøvennlige gassisolerede ringhovedenheter, må et testoppsett etableres for å foreta magnetfeltsmålinger og -analyser. I eksperimentet kan et magnetfeltsmålesystem settes opp for å teste og registrere magnetfeltet under avbrytelsesprosessen, som vist i tabell 2.

Tabell 2: Analyse av magnetfelt under avbrytningsprosessen

Analyse av variasjonene i det elektromagnetiske feltet under avbrytelsesprosessen basert på tabell 2 viser at strømmen plutselig faller til null ved avbrytelsesmomentet, og magnetfeltstyrken reduseres dermed skarpt. Deretter gjenopprettes magnetfeltstyrken gradvis til dens tilstand før avbrytelsen. Analyse av det elektromagnetiske feltet kan gi viktig referansedata for design og optimalisering av miljøvennlige gasisolerede ringhovedenheter.

3.Analyse av forskningsresultater om bue- og avbrytelsesegenskaper
3.1 Dataanalyse og -behandling av parametre under bu- og avbrytelsesprosesser
Under test av bue- og avbrytelse målte man parametre som strøm, spenning og tid for å analysere bue- og avbrytelsesegenskaper. I databehandlingen ble statistiske metoder brukt for å beregne gjennomsnitt, standardavvik og variasjonskoeffisient for hvert parameter.

① Buetestdata ble analysert og behandlet. Gjennomsnittsverdiene for buestrøm, spenning og tid var henholdsvis 8,5 kA, 4,2 kV og 2,5 ms. Standardavvik og variasjonskoeffisienter ble også beregnet for å forstå datafordelingen og stabiliteten. Resultatene viste at standardavviket for buestrøm var 0,8 kA med en variasjonskoeffisient på 9,4%; standardavviket for buespenning var 0,4 kV med en variasjonskoeffisient på 9,5%; og standardavviket for butid var 0,2 ms med en variasjonskoeffisient på 8,0%. Dette indikerer at buetestdataene hadde en relativt stabil fordeling og høy pålitelighet.

② Avbrytelsestestdata ble analysert og behandlet. Gjennomsnittsverdiene for avbrytelsesstrøm, spenning og tid var henholdsvis 3,5 kA, 3,8 kV og 3,0 ms. På samme måte ble standardavvik og variasjonskoeffisienter beregnet. Resultatene viste at standardavviket for avbrytelsesstrøm var 0,5 kA med en variasjonskoeffisient på 14,3%; standardavviket for avbrytelsesspenning var 0,3 kV med en variasjonskoeffisient på 7,9%; og standardavviket for avbrytelsetid var 0,1 ms med en variasjonskoeffisient på 4,4%. Dette tyder på at avbrytelsestestdataene var relativt mindre stabile og hadde lavere pålitelighet.

Basert på den ovennevnte dataanalysen kan det konkluderes med at påliteligheten til buetestdata er høyere enn avbrytelsestestdata, muligens på grunn av de komplekse elektromagnetiske feltene involvert i avbrytelsesprosessen, noe som krever videre dypgående undersøkelser. I tillegg kan forholdet mellom bue- og avbrytelsesegenskaper utforskes ytterligere basert på testdataene.

3.2 Analyse av forholdet mellom bue- og avbrytelsesegenskaper
Ved å analysere og behandle parametre fra både bu- og avbrytelsesprosesser, kan forholdet mellom bue- og avbrytelsesegenskaper studeres nærmere. Både bue- og avbrytelsesegenskaper er nøkkelprestasjonsindikatorer for miljøvennlige gasisolerede ringhovedenheter, og forståelsen av deres sammenheng kan gi verdifuld veiledning for design og optimalisering.

Fra perspektivet av bue- og avbrytelsesegenskaper, påvirker parametre som strøm, spenning og tid de to prosessene ulikt. Under bu, er buestrøm og varighet de primære parametrene, mens spenning også har en vis innvirkning. I motsetning til dette, er avbrytelsesstrøm den dominante parameteren under avbrytelse, med tid og spenning som også spiller en rolle. Derfor må deres respektive nøkkelparametre tas i betraktning separat når forholdet mellom bue- og avbrytelsesegenskaper analyseres.

Dataanalyse viser en vis korrelasjon mellom bue- og avbrytelsesegenskaper:

• En økning i buestrøm og spenning fører til mer generering av buedyrking og større energiforbruk under bue, hvilket øker vanskeligheten ved avbrytelse.

• En økning i avbrytelsesstrøm fører til høyere bueenergi under avbrytelse, noe som også øker vanskeligheten ved avbrytelse.

Videre viser analyse av det elektromagnetiske feltet under bu- og avbrytelsesprosesser at elektromagnetiske felt har betydelig innvirkning på begge prosesser. Under bu, utøver det elektromagnetiske feltet en begrensende kraft som begrenser bueutbredelse. Under avbrytelse, genererer det elektromagnetiske feltet en repulsiv kraft som driver bue utover, noe som påvirker avbrytelsesytelsen.

Disse funnene indikerer at bue- og avbrytelsesegenskaper er forbundet, hovedsakelig påvirket av deres nøkkelfunksjonsparametre og effekten av elektromagnetiske felt. Derfor bør forholdet mellom bue- og avbrytelsesegenskaper tas i alvorlig betraktning i design og optimalisering av miljøvennlige gasisolerede ringhovedenheter, og designet bør tilpasses spesifikke anvendelsesscenarier for å oppnå optimal ytelse.

4.Konklusjon

Gjennom studiet av bue- og avbrytelsesegenskaper hos miljøvennlige gasisolerede ringhovedenheter, kan det konkluderes at disse egenskapene skiller seg markant fra tradisjonelle SF₆-isolerte ringhovedenheter. Miljøvennlige gasisolerede RMU-er stiller strengere krav til parametre som strøm, spenning og tid, noe som krever mer nøyaktig design og optimalisering. I tillegg varierer distribusjonen av det elektromagnetiske feltet under bu- og avbrytelse: under bu er det elektromagnetiske feltet mer koncentrert og intensivt, mens det under avbrytelse er mer uniformt.

Med fortsatt økende bruk av miljøvennlige gasisolerede ringhovedenheter, kan fremtidig forskning fokusere på følgende aspekter:

• Optimalisering av designet av miljøvennlige gasisolerede RMU-er gjennom simuleringer.

• Undersøkelse av bue- og avbrytelsesegenskaper under ulike driftsforhold.

• Utforskning av anvendelsespotensialet for nye miljøvennlige gasser i isolerte ringhovedenheter.

Samlet sett er disse forskningsfunnene av stor betydning for fremme av utvikling og optimalisering av miljøvennlige gassisolerede ringhovedenheter.