Исследование характеристик дугового разряда и прерывания в экологически чистых газонаполненных кольцевых главных распределительных устройствах

Экологичные газоизолированные кольцевые главные панели (RMUs) являются важным оборудованием для распределения электроэнергии в электрических системах, обладая экологичными, безопасными и высоконадежными характеристиками. В процессе работы характеристики образования и прерывания дуги значительно влияют на безопасность экологичных газоизолированных RMUs. Поэтому глубокое изучение этих аспектов имеет большое значение для обеспечения безопасной и стабильной работы энергетических систем. Цель данной статьи — исследовать характеристики образования и прерывания дуги в экологичных газоизолированных RMUs путем экспериментальных испытаний и анализа данных, изучая их закономерности и особенности, с целью предоставления теоретической поддержки и технических рекомендаций для разработки такого оборудования.

1. Исследование характеристик образования дуги в экологичных газоизолированных кольцевых главных панелях

1.1 Основные понятия и влияющие факторы экологичных газов

Экологичные газы — это газы, которые не истощают озоновый слой. Примеры таких газов включают азот (N₂), сухой сжатый воздух (обезвоженный и обезмасленный) и специально разработанные новые газы. Экологичные газоизолированные RMUs обладают преимуществами, такими как экологичность, безопасность и надежность, и широко используются в энергетических системах. Изучение их характеристик образования дуги требует понимания основных понятий и влияющих факторов экологичных газов. 

Физические и химические свойства, молекулярная структура, температура, давление, влажность и другие факторы влияют на изоляционные характеристики и поведение при образовании дуги этих газов, что должно быть исследовано экспериментально. Кроме того, необходимо учитывать практические проблемы, такие как объем потребляемого газа и возможность его повторного использования. Поэтому глубокое изучение основных понятий и влияющих факторов экологичных газов является необходимым для исследования характеристик образования дуги в экологичных газоизолированных RMUs.

1.2 Методы исследования и экспериментальная установка для изучения характеристик образования дуги

Изучение характеристик образования дуги требует создания стандартизированной методологии испытаний и экспериментальной установки. Методы испытаний обычно включают электрические испытания на основе явлений дуги и химический анализ. Экспериментальная установка должна обеспечивать повторяемость, точность и безопасность, обычно состоя из источника высокого напряжения, камеры для дуги, измерительных приборов и системы сбора данных. Камера для дуги является ключевым компонентом, моделирующим фактический процесс образования дуги внутри экологичного газоизолированного RMU. Для эффективного изучения характеристик дуги установка должна предоставлять соответствующие уровни напряжения и тока и позволять запись параметров в реальном времени, таких как напряжение дуги, ток, продолжительность и побочные продукты. Также должны быть приняты достаточные меры безопасности, чтобы предотвратить аварии во время испытаний.

1.3 Испытания и анализ тока, напряжения и продолжительности дуги
В исследованиях характеристик дуги ключевыми параметрами являются ток, напряжение и продолжительность дуги. Ток дуги — это величина тока, протекающего через область дуги во время ее горения; напряжение дуги — это потенциальная разница по обе стороны области дуги; продолжительность дуги — это интервал времени от начала до окончания дуги. Для измерения этих параметров требуются специализированные приборы, такие как генераторы высокого напряжения, трансформаторы тока, трансформаторы напряжения и цифровые осциллографы. Экспериментальные испытания и сбор данных по этим параметрам в экологичных газоизолированных RMUs, а затем анализ данных, помогают выявить закономерности и взаимосвязи, углубляя понимание характеристик образования дуги и предоставляя базовые данные для дальнейших исследований.

1.4 Анализ побочных продуктов при образовании дуги
При образовании дуги в экологичных газоизолированных RMUs образуются различные побочные продукты, такие как оксиды, фториды, хлориды и дым, которые могут представлять опасность для окружающей среды и здоровья человека. В настоящее время для анализа побочных продуктов дуги используются два основных подхода: экспериментальный анализ и численное моделирование. Экспериментальный анализ включает моделирование процесса образования дуги в лаборатории, сбор проб побочных продуктов и проведение химического анализа для определения видового и концентрационного распределения. Численное моделирование использует вычислительные модели для прогнозирования распределения побочных продуктов и путей реакций. 

Для экспериментального анализа используются такие методы, как хроматография, масс-спектрометрия и электронная микроскопия. В численном моделировании используются методы, такие как метод элементов и CFD (вычислительная гидродинамика), для моделирования распределения побочных продуктов и механизмов химических реакций при образовании дуги. Результаты анализа побочных продуктов усиливают понимание химических реакций и преобразования энергии при образовании дуги, предоставляя теоретическую и техническую поддержку для проектирования и применения экологичных газоизолированных RMUs, а также исходные данные для мониторинга окружающей среды и обеспечения безопасности персонала.

2. Исследование характеристик прерывания в экологичных газоизолированных кольцевых главных панелях

2.1 Основные понятия и влияющие факторы явлений прерывания
2.1.1 Методы испытаний на прерывание
Испытания на прерывание являются критическим шагом в изучении характеристик прерывания экологичных газоизолированных RMUs. Обычно они проводятся либо с использованием традиционных экспериментальных методов, либо численного моделирования. Традиционные методы включают создание платформы для испытаний на прерывание и изменение условий испытаний (например, ток, напряжение) для наблюдения за поведением при прерывании и сбора экспериментальных данных. Численное моделирование, с другой стороны, использует компьютерные модели для имитации физических явлений при прерывании, позволяя быстро генерировать большие объемы данных и прогнозировать характеристики прерывания.

2.1.2 Установка для испытаний
Для изучения характеристик прерывания необходимо разработать и построить специальную установку для испытаний. Эта установка включает высоковольтный источник питания, коммутационное оборудование и измерительные приборы. Высоковольтный источник питания обеспечивает энергией коммутационное устройство, которое выполняет фактическую операцию прерывания, в то время как приборы измеряют и записывают характеристики прерывания.

2.1.3 Испытания и анализ параметров характеристик прерывания
Исследование характеристик прерывания требует проведения испытаний и анализа параметров, таких как ток, напряжение и время во время процесса прерывания. Эти параметры являются ключевыми показателями для оценки характеристик прерывания. Ток и напряжение описывают электрическое поведение во время прерывания, тогда как время отражает временную динамику. Анализ этих параметров раскрывает важную информацию, такую как тренды изменения тока и напряжения прерывания, продолжительность прерывания и общие характеристики работы.

2.2 Методы исследования и установка для испытаний характеристик прерывания
Общепринятые методы исследования характеристик прерывания экологически чистых газонаполненных RMU включают традиционные испытания и продвинутые численные симуляции. Традиционные испытания включают установку коммутационных и нагрузочных устройств на испытательном стенде, изменение параметров источника питания (напряжение, ток и т.д.), наблюдение за переходными процессами во время прерывания и запись параметров, таких как ток, напряжение и время, для обработки данных и анализа. 

В сравнении с традиционными испытаниями, численные симуляции обеспечивают более высокую точность моделирования характеристик прерывания. Используя компьютерное моделирование и методы моделирования, численные методы решают ключевые физические поля, такие как электрическое поле, магнитное поле, температурное поле и поле потока, во время прерывания, учитывая множество факторов, включая ток, напряжение, расстояние между электродами и температуру окружающей среды. Кроме того, численные симуляции позволяют оптимизировать дизайн RMU, изменяя свойства материалов и геометрические конфигурации.
Для установки испытаний высоковольтные источники постоянного тока и высокомощные блоки разрядки конденсаторов могут обеспечивать необходимые условия высокого напряжения и высокого тока. Системы быстрого сбора данных и регистраторы используются для точного захвата параметров прерывания. Для обеспечения повторяемости и точности установка испытаний должна быть калибрована и проверена.

2.3 Испытания и анализ тока, напряжения и времени прерывания
Испытания и анализ тока, напряжения и времени прерывания являются важной частью изучения характеристик прерывания.
(1) Цель испытаний: понять характеристики прерывания экологически чистых газонаполненных RMU, проводя испытания и анализ тока, напряжения и времени прерывания, оценить их производительность в реальных условиях эксплуатации и предоставить основу для использования и улучшения оборудования.
(2) Испытательное оборудование: цифровые амперметры, трансформаторы напряжения, приборы для измерения времени, осциллографы и системы сбора данных используются для обеспечения точного измерения тока, напряжения и времени во время прерывания.
(3) Процедуры испытаний:

• Испытание тока прерывания: выполните прерывание в стандартных условиях испытаний, запишите формы волн тока и убедитесь в правильном подключении испытательного оборудования к RMU. Измерьте изменения тока с помощью трансформаторов тока и цифровых амперметров.

• Испытание напряжения прерывания: аналогично, выполните прерывание в стандартных условиях, запишите формы волн напряжения и измерьте изменения напряжения с помощью трансформаторов напряжения и цифровых вольтметров.

• Испытание времени прерывания: используйте приборы для измерения времени, чтобы точно записать интервал времени от начала до завершения операции прерывания.

• Испытание переходных процессов: используйте осциллографы и системы сбора данных для захвата переходных форм волн тока и напряжения во время прерывания для анализа переходных характеристик.

(4) Запись и анализ данных: запишите формы волн тока, формы волн напряжения, данные времени прерывания и переходные формы волн. Проанализируйте, соответствует ли ток прерывания инженерным требованиям, соответствует ли напряжение прерывания спецификациям и удовлетворяет ли время прерывания критериям проектирования. Оцените влияние переходных процессов на производительность и стабильность оборудования. Благодаря вышеуказанным подробным процедурам испытаний, всестороннее рассмотрение всех релевантных факторов обеспечивает точное сбор данных и глубокий анализ. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1: Испытания и анализ параметров тока, напряжения и времени

На основе анализа таблицы 1 можно сделать следующие выводы:

• Существует определенная связь между током прерывания и напряжением; обычно, ток прерывания увеличивается с увеличением напряжения.

• Время прерывания зависит как от тока, так и от напряжения; чем выше ток и напряжение, тем короче время прерывания.

• При проведении тестов следует обращать внимание на контроль диапазона тока и напряжения во время прерывания, чтобы избежать неточностей в результатах тестов, вызванных слишком высокими или слишком низкими значениями. Кроме того, следует учитывать и другие влияющие факторы, такие как температура и влажность окружающей среды.

2.4 Анализ электромагнитного поля во время процесса прерывания
Для анализа электромагнитного поля во время процесса прерывания экологически чистых газонаполненных распределительных устройств необходимо установить испытательную установку для проведения измерений и анализа электромагнитного поля. В ходе эксперимента может быть установлено измерительное оборудование для тестирования и записи электромагнитного поля во время процесса прерывания, как показано в таблице 2.

Таблица 2: Анализ электромагнитного поля во время процесса размыкания

Анализ вариаций электромагнитного поля в процессе прерывания на основе таблицы 2 показывает, что в момент прерывания ток внезапно падает до нуля, и сила магнитного поля соответственно резко уменьшается. Затем сила магнитного поля постепенно восстанавливается до состояния, предшествующего прерыванию. Анализ электромагнитного поля может предоставить важные справочные данные для проектирования и оптимизации экологически чистых газоизолированных кольцевых главных устройств.

3. Анализ результатов исследований характеристик дуги и прерывания
3.1 Анализ и обработка параметров в процессах дуги и прерывания
В ходе испытаний на дугу и прерывание отдельно измерялись такие параметры, как ток, напряжение и время, чтобы проанализировать характеристики дуги и прерывания. В процессе обработки данных применялись статистические методы для расчета среднего значения, стандартного отклонения и коэффициента вариации каждого параметра.

① Проведен анализ и обработка данных испытаний на дугу. Средние значения тока, напряжения и времени дуги составили 8,5 кА, 4,2 кВ и 2,5 мс соответственно. Были также рассчитаны стандартные отклонения и коэффициенты вариации, чтобы понять распределение и стабильность тестовых данных. Результаты показали, что стандартное отклонение тока дуги составило 0,8 кА с коэффициентом вариации 9,4%; стандартное отклонение напряжения дуги — 0,4 кВ с коэффициентом вариации 9,5%; а стандартное отклонение времени дуги — 0,2 мс с коэффициентом вариации 8,0%. Это указывает на то, что данные испытаний на дугу демонстрировали относительно стабильное распределение и высокую надежность.

② Проведен анализ и обработка данных испытаний на прерывание. Средние значения тока, напряжения и времени прерывания составили 3,5 кА, 3,8 кВ и 3,0 мс соответственно. Аналогично были рассчитаны стандартные отклонения и коэффициенты вариации. Результаты показали, что стандартное отклонение тока прерывания составило 0,5 кА с коэффициентом вариации 14,3%; стандартное отклонение напряжения прерывания — 0,3 кВ с коэффициентом вариации 7,9%; а стандартное отклонение времени прерывания — 0,1 мс с коэффициентом вариации 4,4%. Это свидетельствует о том, что данные испытаний на прерывание были менее стабильными и имели более низкую надежность.

На основе вышеуказанного анализа данных можно сделать вывод, что надежность данных испытаний на дугу выше, чем данных испытаний на прерывание, возможно, из-за сложных электромагнитных полей, возникающих в процессе прерывания, что требует дальнейшего углубленного исследования. Кроме того, на основе тестовых данных можно более детально изучить взаимосвязь между характеристиками дуги и прерывания.

3.2 Анализ взаимосвязи между характеристиками дуги и прерывания
Путем анализа и обработки параметров как процессов дуги, так и прерывания, можно более подробно изучить взаимосвязь между характеристиками дуги и прерывания. Обе характеристики являются ключевыми показателями производительности экологически чистых газоизолированных кольцевых главных устройств, и понимание их взаимосвязи может предоставить ценные рекомендации для проектирования и оптимизации.

С точки зрения характеристик дуги и прерывания, параметры, такие как ток, напряжение и время, влияют на эти процессы по-разному. В процессе дуги основными параметрами являются ток и продолжительность дуги, хотя напряжение также имеет определенное влияние. В противоположность этому, в процессе прерывания доминирующим параметром является ток прерывания, при этом время и напряжение также играют роль. Поэтому, анализируя взаимосвязь между характеристиками дуги и прерывания, необходимо отдельно рассматривать их ключевые параметры.

Анализ данных показывает определенную корреляцию между характеристиками дуги и прерывания:

• Увеличение тока и напряжения дуги приводит к большему образованию продуктов горения дуги и увеличению энергопотребления в процессе дуги, что, в свою очередь, увеличивает трудность прерывания.

• Увеличение тока прерывания приводит к большей энергии дуги в процессе прерывания, что также увеличивает трудность прерывания.

Кроме того, анализ электромагнитного поля в процессах дуги и прерывания показывает, что электромагнитные поля значительно влияют на оба процесса. В процессе дуги электромагнитное поле оказывает ограничивающее воздействие, которое ограничивает распространение дуги. В процессе прерывания электромагнитное поле создает отталкивающую силу, которая выталкивает дугу наружу, влияя на эффективность прерывания.

Эти выводы указывают на то, что характеристики дуги и прерывания взаимосвязаны, главным образом, под влиянием их ключевых эксплуатационных параметров и эффектов электромагнитного поля. Поэтому, при проектировании и оптимизации экологически чистых газоизолированных кольцевых главных устройств, следует комплексно учитывать взаимосвязь между характеристиками дуги и прерывания, и адаптировать дизайн к конкретным условиям применения, чтобы достичь оптимальной производительности.

4. Заключение

Изучение характеристик дуги и прерывания экологически чистых газоизолированных кольцевых главных устройств позволяет сделать вывод, что эти характеристики значительно отличаются от характеристик традиционных SF₆-изолированных кольцевых главных устройств. Экологически чистые газоизолированные RMU предъявляют более строгие требования к параметрам, таким как ток, напряжение и время, что требует более точного проектирования и оптимизации. Кроме того, распределение электромагнитного поля в процессах дуги и прерывания различается: в процессе дуги электромагнитное поле более концентрированное и интенсивное, тогда как в процессе прерывания оно более равномерное.

По мере расширения применения экологически чистых газоизолированных кольцевых главных устройств, будущие исследования могут быть сосредоточены на следующих аспектах:

• Оптимизация дизайна экологически чистых газоизолированных RMU с помощью моделирования и анализа.

• Изучение характеристик дуги и прерывания в различных условиях эксплуатации.

• Исследование потенциала применения новых экологически чистых газов в изолированных кольцевых главных устройствах.

В заключение, эти исследовательские результаты имеют большое значение для продвижения разработки и оптимизации экологически чистых газоизолированных кольцевых главных устройств.