Badania nad Właściwościami Łukowania i Przerywania w Ekologicznych Gazowych Urządzeniach Okręgowych

Ekologiczne gazuizowane jednostki pierścieniowe (RMU) są ważnym оборудованием для распределения электроэнергии w systemach elektrycznych, charakteryzujące się ekologicznymi, przyjaznymi dla środowiska i wysokimi właściwościami niezawodności. W trakcie działania cechy formowania i przerwania łuku mają znaczący wpływ na bezpieczeństwo ekologicznych gazuizowanych RMU. Dlatego też szczegółowe badania tych aspektów mają duże znaczenie dla zapewnienia bezpiecznej i stabilnej pracy systemów energetycznych. Niniejszy artykuł ma na celu zbadanie cech formowania i przerwania łuku w ekologicznych gazuizowanych RMU poprzez testy eksperymentalne i analizę danych, odkrywając ich wzorce i cechy, z myślą o dostarczeniu teoretycznego wsparcia i technicznego przewodnictwa dla badań i rozwoju takiego sprzętu.

1. Badania nad cechami formowania łuku w ekologicznych gazuizowanych jednostkach pierścieniowych

1.1 Podstawowe koncepcje i czynniki wpływające na gaz ekologiczny

Gazy ekologiczne to gazy, które nie niszczą warstwy ozonowej. Przykładami mogą być azot (N₂), suche sprężone powietrze (bez oleju i wilgoci), oraz specjalnie opracowane nowe gazy. Ekologiczne gazuizowane RMU oferują zalety takie jak przyjazność dla środowiska, bezpieczeństwo i niezawodność, dlatego są szeroko stosowane w systemach energetycznych. Badać ich cechy formowania łuku wymaga zrozumienia podstawowych koncepcji i czynników wpływających na gazy ekologiczne. 

Właściwości fizyczne i chemiczne, struktura molekularna, temperatura, ciśnienie, wilgotność, a także inne czynniki wpływają na właściwości izolacyjne i zachowanie formowania łuku tych gazów, co musi być badane eksperymentalnie. Dodatkowo, praktyczne wyzwania, takie jak zużycie gazu i jego możliwość recyklingu, muszą być rozwiązane. Dlatego szczegółowe badanie podstawowych koncepcji i czynników wpływających na gazy ekologiczne jest niezbędne do badań nad cechami formowania łuku w ekologicznych gazuizowanych RMU.

1.2 Metody badawcze i ustawienie do testów cech formowania łuku

Badanie cech formowania łuku wymaga ustalenia standardowej metody testowej i ustawienia eksperymentalnego. Metody testowe obejmują zwykle badania elektryczne oparte na zjawiskach łukowych i analizę chemiczną. Ustawienie testowe musi zapewniać powtarzalność, dokładność i bezpieczeństwo, zazwyczaj składając się z źródła wysokiego napięcia, komory łukowej, urządzeń pomiarowych i systemu pozyskiwania danych. Komora łukowa jest kluczowym elementem, symulującym rzeczywisty proces formowania łuku wewnątrz ekologicznego gazuizowanego RMU. Aby skutecznie badać cechy łuku, ustawienie musi zapewniać odpowiednie poziomy napięcia i prądu, a także umożliwić rejestrację w czasie rzeczywistym parametrów takich jak napięcie łuku, prąd, czas trwania i produkty uboczne. Należy również zastosować odpowiednie środki bezpieczeństwa, aby zapobiec wypadkom podczas testów.

1.3 Testy i analiza prądu, napięcia i czasu trwania łuku
W badaniach cech łuku, prąd łuku, napięcie łuku i czas trwania łuku są kluczowymi parametrami. Prąd łuku odnosi się do wielkości prądu płynącego przez obszar łuku podczas łukowania; napięcie łuku to różnica potencjałów na obszarze łuku; a czas trwania łuku to przedział czasu od inicjacji łuku do jego zgaśnięcia. Pomiar tych parametrów wymaga specjalistycznych instrumentów, takich jak generatory wysokiego napięcia, transformatory prądowe, transformatory napięciowe i cyfrowe oscyloskopy. Eksperymentalne testy i zbieranie danych dotyczących tych parametrów w ekologicznych gazuizowanych RMU, a następnie analiza danych, pomagają odkryć trendy i zależności, głęboko zwiększając zrozumienie cech formowania łuku i dostarczając podstawowych danych do dalszych badań.

1.4 Analiza produktów ubocznych podczas łukowania
Podczas łukowania w ekologicznych gazuizowanych RMU powstają różne produkty uboczne, takie jak tlenki, fluoroki, chloroki i dym, które mogą stanowić zagrożenie dla środowiska i zdrowia ludzi. Obecnie dwie główne metody są używane do analizy produktów ubocznych: analiza eksperymentalna i symulacja numeryczna. Analiza eksperymentalna polega na symulacji procesu łukowania w laboratorium, zebraniu próbek produktów ubocznych i wykonaniu analizy chemicznej, aby określić rozkład gatunków i stężeń. Symulacja numeryczna używa modeli obliczeniowych, aby przewidzieć rozkład produktów ubocznych i ścieżki reakcji. 

Techniki analityczne, takie jak chromatografia, spektrometria mas, i mikroskopia elektronowa, są stosowane w analizie eksperymentalnej. W symulacji numerycznej, metody takie jak analiza elementów finite (FEA) i CFD (Computational Fluid Dynamics) są używane do modelowania rozkładu produktów ubocznych i mechanizmów reakcji chemicznych podczas łukowania. Wyniki analizy produktów ubocznych pogłębiają zrozumienie reakcji chemicznych i konwersji energii podczas łukowania, dostarczając teoretycznego i technicznego wsparcia dla projektowania i zastosowania ekologicznych gazuizowanych RMU, a także referencyjnych danych do monitorowania środowiska i bezpieczeństwa personelu.

2. Badania nad cechami przerwania w ekologicznych gazuizowanych jednostkach pierścieniowych

2.1 Podstawowe koncepcje i czynniki wpływające na zjawiska przerwania
2.1.1 Metody testów przerwania
Testy przerwania są kluczowym krokiem w badaniu cech przerwania ekologicznych gazuizowanych RMU. Zwykle są prowadzone przy użyciu konwencjonalnych metod eksperymentalnych lub symulacji numerycznej. Konwencjonalne metody polegają na budowie platformy testowej przerwania i modyfikacji warunków testowych (np. prąd, napięcie) w celu obserwacji zachowania przerwania i zebrania danych eksperymentalnych. Symulacja numeryczna, z drugiej strony, używa modeli komputerowych do symulacji zjawisk fizycznych podczas przerwania, umożliwiając szybkie generowanie dużych zestawów danych i prognozowanie efektywności przerwania.

2.1.2 Ustawienie testowe
Aby zbadać cechy przerwania, należy zaprojektować i zbudować dedykowane ustawienie testowe. To ustawienie obejmuje wysokonapięciowe źródło zasilania, urządzenia przełączające oraz przyrządy pomiarowe. Wysokonapięciowe źródło zasilania dostarcza energię do urządzenia przełączającego, które wykonuje rzeczywiste działanie przerwania, podczas gdy przyrządy mierzą i rejestrują cechy przerwania.

2.1.3 Badanie i analiza parametrów charakterystycznych przerwania
Badania nad cechami przerwania wymagają przeprowadzenia badań i analizy parametrów takich jak prąd, napięcie i czas podczas procesu przerwania. Te parametry są kluczowymi wskaźnikami oceny wydajności przerwania. Prąd i napięcie opisują zachowanie elektryczne podczas przerwania, podczas gdy czas odzwierciedla dynamikę czasową. Analiza tych parametrów ujawnia kluczowe informacje, takie jak trendy zmian prądu i napięcia przerwania, czas trwania przerwania oraz ogólną wydajność.

2.2 Metody badawcze i ustawienie testowe dla cech przerwania
Wspólne metody badania cech przerwania ekologicznych gazowych RMU obejmują tradycyjne testy przerwania i zaawansowane symulacje numeryczne. Tradycyjne testy polegają na ustawieniu urządzeń przełączających i obciążających w stojaku testowym, zmienianiu parametrów zasilania (napięcia, prądu itp.), obserwowaniu procesów przejściowych podczas przerwania oraz rejestrowaniu parametrów takich jak prąd, napięcie i czas do przetwarzania danych i analizy. 

W porównaniu do tradycyjnych testów, symulacje numeryczne oferują wyższą dokładność modelowania cech przerwania. Wykorzystując techniki symulacji komputerowej i modelowania, metody numeryczne rozwiązywane są kluczowe pola fizyczne, takie jak pole elektryczne, magnetyczne, temperatury i przepływu, podczas przerwania, uwzględniając wiele czynników, w tym prąd, napięcie, odległość między elektrodami i temperaturę otoczenia. Ponadto, symulacje numeryczne umożliwiają optymalizację projektu RMU poprzez dostosowywanie właściwości materiałów i konfiguracji geometrycznych.
Dla ustawienia testowego, wysokonapięciowe zasilacze DC i jednostki rozładowania kondensatorów wysokiej mocy mogą dostarczać niezbędne warunki wysokiego napięcia i wysokiego prądu. Szybkie systemy pozyskiwania danych i rejestratory są używane do precyzyjnego uchwycenia parametrów przerwania. Aby zapewnić powtarzalność i dokładność, ustawienie testowe musi być kalibrowane i walidowane.

2.3 Badanie i analiza prądu, napięcia i czasu przerwania
Badanie i analiza prądu, napięcia i czasu przerwania to kluczowa część badań nad cechami przerwania.
(1) Cel testu: Zrozumienie cech przerwania ekologicznych gazowych RMU poprzez badanie i analizę prądu, napięcia i czasu przerwania, ocena ich wydajności w realnych warunkach pracy, a także dostarczenie podstawy dla wykorzystania i udoskonalenia sprzętu.
(2) Urządzenia testowe: Cyfrowe amperometry, transformatory napięcia, przyrządy do pomiaru czasu, oscyloskopy i systemy pozyskiwania danych są używane do zapewnienia dokładnego pomiaru prądu, napięcia i czasu podczas przerwania.
(3) Procedury testowe:

• Test prądu przerwania: Przeprowadź przerwanie w standardowych warunkach testowych, zarejestruj formy fal prądowe i upewnij się, że istnieje prawidłowe połączenie między urządzeniami testowymi a RMU. Mierz wahania prądu za pomocą transformatorów prądowych i cyfrowych amperometrów.

• Test napięcia przerwania: Podobnie, przeprowadź przerwanie w standardowych warunkach, zarejestruj formy falowe napięcia i zmierz zmiany napięcia za pomocą transformatorów napięcia i cyfrowych woltometrów.

• Test czasu przerwania: Użyj przyrządów do pomiaru czasu, aby dokładnie zarejestrować przedział czasowy od rozpoczęcia do zakończenia działania przerwania.

• Test procesu przejściowego: Użyj oscyloskopów i systemów pozyskiwania danych, aby uchwycić przejściowe formy fal prądowe i napięciowe podczas przerwania do analizy cech przejściowych.

(4) Rejestrowanie i analiza danych: Zarejestruj formy fal prądowe, formy falowe napięcia, dane dotyczące czasu przerwania i przejściowe formy fal. Analizuj, czy prąd przerwania spełnia inżynieryjne wymagania, czy napięcie przerwania jest zgodne ze specyfikacjami, oraz czy czas przerwania spełnia kryteria projektowe. Ocena wpływu procesów przejściowych na wydajność i stabilność sprzętu. Dzięki powyższym szczegółowym procedurom testowym, kompleksowe rozważanie wszystkich odpowiednich czynników zapewnia dokładne gromadzenie danych i dogłębną analizę. Wyniki są przedstawione w tabeli 1.

Tabela 1: Badanie i analiza parametrów prądu, napięcia i czasu

Na podstawie analizy tabeli 1 można wyciągnąć następujące wnioski:

• Istnieje pewien związek między prądem przerwania a napięciem; ogólnie rzecz biorąc, prąd przerwania wzrasta wraz ze wzrostem napięcia.

• Czas przerwania jest związany zarówno z prądem, jak i napięciem; im wyższy prąd i napięcie, tym krótszy czas przerwania.

• Podczas testów należy zwrócić uwagę na kontrolowanie zakresu prądu i napięcia podczas przerwania, aby uniknąć nieprecyzyjnych wyników testów spowodowanych zbyt wysokimi lub zbyt niskimi wartościami. Ponadto należy również uwzględnić inne czynniki wpływające, takie jak temperatura otoczenia i wilgotność.

2.4 Analiza pola elektromagnetycznego w trakcie procesu przerwania
W celu przeprowadzenia analizy pola elektromagnetycznego w trakcie procesu przerwania ekologicznych gazowych jednostek pierścieniowych izolowanych gazem, należy ustawić system do pomiaru, który umożliwi przeprowadzenie pomiarów i analizę pola elektromagnetycznego. W doświadczeniu można ustawić system do pomiaru pola elektromagnetycznego, aby przetestować i zarejestrować pole elektromagnetyczne w trakcie procesu przerwania, jak pokazano w tabeli 2.

Tabela 2: Analiza pola elektromagnetycznego w trakcie procesu przerwania

Analiza zmian pola elektromagnetycznego w trakcie procesu przerwania na podstawie tabeli 2 wykazuje, że w momencie przerwania prąd nagle spada do zera, a siła pola magnetycznego odpowiednio gwałtownie maleje. Następnie siła pola magnetycznego stopniowo wraca do stanu sprzed przerwania. Analiza pola elektromagnetycznego może dostarczyć ważne dane referencyjne dla projektowania i optymalizacji ekologicznych gazowych jednostek pierścieniowych.

3.Analiza wyników badań nad charakterystyką łuku i przerwania
3.1 Analiza i przetwarzanie parametrów w trakcie procesów łuku i przerwania
W trakcie testów łuku i przerwania osobno mierzono parametry takie jak prąd, napięcie i czas, aby przeanalizować charakterystykę łuku i przerwania. W procesie przetwarzania danych wykorzystano metody statystyczne do obliczenia średniej, odchylenia standardowego i współczynnika zmienności dla każdego parametru.

① Przeanalizowano i przetworzono dane testowe łuku. Średnie wartości prądu łuku, napięcia i czasu wyniosły odpowiednio 8,5 kA, 4,2 kV i 2,5 ms. Obliczono również odchylenia standardowe i współczynniki zmienności, aby zrozumieć rozkład i stabilność danych testowych. Wyniki pokazały, że odchylenie standardowe prądu łuku wyniosło 0,8 kA z współczynnikiem zmienności 9,4%; odchylenie standardowe napięcia łuku wyniosło 0,4 kV z współczynnikiem zmienności 9,5%; a odchylenie standardowe czasu łuku wyniosło 0,2 ms z współczynnikiem zmienności 8,0%. To wskazuje, że dane testowe łuku cechowały się stosunkowo stabilnym rozkładem i wysoką niezawodnością.

② Przeanalizowano i przetworzono dane testowe przerwania. Średnie wartości prądu przerwania, napięcia i czasu wyniosły odpowiednio 3,5 kA, 3,8 kV i 3,0 ms. Podobnie obliczono odchylenia standardowe i współczynniki zmienności. Wyniki pokazały, że odchylenie standardowe prądu przerwania wyniosło 0,5 kA z współczynnikiem zmienności 14,3%; odchylenie standardowe napięcia przerwania wyniosło 0,3 kV z współczynnikiem zmienności 7,9%; a odchylenie standardowe czasu przerwania wyniosło 0,1 ms z współczynnikiem zmienności 4,4%. To sugeruje, że dane testowe przerwania były stosunkowo mniej stabilne i miały niższą niezawodność.

Na podstawie powyższej analizy danych można stwierdzić, że niezawodność danych testowych łuku jest wyższa niż danych testowych przerwania, co może być wynikiem skomplikowanych pól elektromagnetycznych zaangażowanych w proces przerwania, co wymaga dalszych szczegółowych badań. Dodatkowo, relację między charakterystykami łuku i przerwania można dalej badać na podstawie danych testowych.

3.2 Analiza relacji między charakterystykami łuku i przerwania
Przez analizę i przetwarzanie parametrów zarówno z procesów łuku, jak i przerwania, można dalej badać relację między charakterystykami łuku i przerwania. Oba typy charakterystyk są kluczowymi wskaźnikami wydajności ekologicznych gazowych jednostek pierścieniowych, a zrozumienie ich wzajemnej relacji może dostarczyć cennych wskazówek dla projektowania i optymalizacji.

Z perspektywy charakterystyk łuku i przerwania, parametry takie jak prąd, napięcie i czas wpływają na te dwa procesy inaczej. W trakcie łuku, prąd łuku i czas trwania są głównymi parametrami, podczas gdy napięcie ma pewien wpływ. Z kolei w trakcie przerwania, prąd przerwania jest dominującym parametrem, z czasem i napięciem również odgrywającymi role. Dlatego przy analizie relacji między charakterystykami łuku i przerwania należy osobno uwzględnić ich kluczowe parametry.

Analiza danych pokazuje pewną korelację między charakterystykami łuku i przerwania:

• Zwiększenie prądu i napięcia łuku prowadzi do wyższego generowania produktów ubocznych łuku i większego zużycia energii w trakcie łuku, co zwiększa trudność przerwania.

• Zwiększenie prądu przerwania powoduje wyższą energię łuku w trakcie przerwania, co również zwiększa trudność przerwania.

Ponadto, analiza pola elektromagnetycznego w trakcie łuku i przerwania wykazuje, że pola elektromagnetyczne znacznie wpływają na oba procesy. W trakcie łuku, pole elektromagnetyczne wywiera siłę ograniczającą, która ogranicza dyfuzję łuku. W trakcie przerwania, pole elektromagnetyczne generuje siłę odpychającą, która wypycha łuk na zewnątrz, wpływając na wydajność przerwania.

Te wnioski wskazują, że charakterystyki łuku i przerwania są ze sobą związane, głównie wpływane przez ich kluczowe parametry operacyjne i efekty pola elektromagnetycznego. Dlatego w projektowaniu i optymalizacji ekologicznych gazowych jednostek pierścieniowych, relacja między charakterystykami łuku i przerwania powinna być kompleksowo uwzględniona, a projekty powinny być dostosowane do konkretnych scenariuszy zastosowania, aby osiągnąć optymalną wydajność.

4.Wnioski

Na podstawie badań charakterystyk łuku i przerwania ekologicznych gazowych jednostek pierścieniowych można stwierdzić, że te charakterystyki różnią się znacząco od tych tradycyjnych jednostek pierścieniowych izolowanych SF₆. Ekologiczne gazowe RMU nakładają surowsze wymagania dotyczące parametrów takich jak prąd, napięcie i czas, co wymaga bardziej precyzyjnego projektowania i optymalizacji. Ponadto, rozkład pola elektromagnetycznego w trakcie łuku i przerwania różni się: w trakcie łuku, pole elektromagnetyczne jest bardziej skupione i intensywne, podczas gdy w trakcie przerwania jest bardziej jednorodne.

W miarę jak zastosowanie ekologicznych gazowych jednostek pierścieniowych będzie się rozszerzać, przyszłe badania mogą skupić się na następujących aspektach:

• Optymalizacja projektu ekologicznych gazowych RMU poprzez analizę symulacyjną.

• Badanie charakterystyk łuku i przerwania w różnych warunkach pracy.

• Eksploracja potencjału nowych ekologicznych gazów w jednostkach pierścieniowych izolowanych.

Podsumowując, te wyniki badań mają duże znaczenie dla postępu w rozwoju i optymalizacji ekologicznych gazowych zasobników pierścieniowych.