Forskning om bågläggning och avbrottskarakteristika för miljövänliga gasisolereda ringhuvuden

Miljövänliga gasisolerade ringhuvudenheter (RMU) är viktig kraftfördelningsutrustning i elsystem och har egenskaper som är gröna, miljövänliga och av hög tillförlitlighet. Under drift påverkar bågbildning och avbrytningsegenskaper säkerheten hos miljövänliga gasisolerade RMU:er avsevärt. Därför är fördjupad forskning om dessa aspekter mycket betydelsefull för att säkerställa säker och stabil drift av elsystem. Denna artikel syftar till att undersöka bågbildning och avbrytningsegenskaper hos miljövänliga gasisolerade RMU:er genom experimentell testning och dataanalys, för att utforska deras mönster och egenskaper, med målet att ge teoretiskt stöd och teknisk vägledning för forskning och utveckling av denna typ av utrustning.

1. Forskning om bågbildningsegenskaper hos miljövänliga gasisolerade ringhuvudenheter

1.1 Grundläggande begrepp och inverkansfaktorer för miljövänliga gaser

Miljövänliga gaser syftar på gaser som inte påverkar ozonlagret negativt. Vanliga exempel inkluderar kväve (N₂), torr komprimerad luft (utan olja och fukt) samt särskilt formulerade nya gaser. Miljövänliga gasisolerade RMU:er erbjuder fördelar såsom miljövänlighet, säkerhet och tillförlitlighet, och används därför brett inom elsystem. Att studera deras bågbildningsegenskaper kräver förståelse för grundläggande begrepp och inverkansfaktorer hos miljövänliga gaser. 

Fysikaliska och kemiska egenskaper, molekylstruktur, temperatur, tryck, fuktighet och andra faktorer påverkar alla gasernas isolationsprestanda och bågbildningsbeteende, vilket måste undersökas experimentellt. Dessutom behöver praktiska utmaningar som gasförbrukning och återvinning hanteras. Därför är en fördjupad studie av de grundläggande begreppen och inverkansfaktorerna för miljövänliga gaser nödvändig för att forska om bågbildningsegenskaper i miljövänliga gasisolerade RMU:er.

1.2 Forskningsmetoder och testuppställning för bågbildningsegenskaper

Undersökning av bågbildningsegenskaper kräver etablering av standardiserade testmetodik och experimentuppställningar. Testmetoder inkluderar vanligtvis elektriska tester baserade på bågförlopp samt kemisk analys. Testuppställningen måste säkerställa repeterbarhet, noggrannhet och säkerhet, och består generellt av en högspänningskälla, en bådkammare, mätinstrument och ett datasamlingsystem. Bådkammaren är en avgörande komponent som simulerar det faktiska bågbildningsförloppet inuti en miljövänlig gasisolerad RMU. För att effektivt studera bågens egenskaper måste uppställningen kunna leverera lämpliga spännings- och strömnivåer samt möjliggöra realtidsregistrering av parametrar som bågspänning, ström, varaktighet och biprodukter. Tillräckliga säkerhetsåtgärder måste också implementeras för att förhindra olyckor under testning.

1.3 Testning och analys av bågström, spänning och varaktighet
I studier av bågens egenskaper är bågström, spänning och varaktighet nyckelparametrar. Bågström avser storleken på den ström som flödar genom bådområdet under bågperioden; bågspänning är potentialskillnaden över bådområdet; och bågens varaktighet är tidsintervallet från bågens start till dess släckning. Mätning av dessa parametrar kräver specialiserade instrument såsom högspänningsgeneratorer, strömtransformatorer, spänningstransformatorer och digitala oscilloskop. Experimentell testning och datainsamling av dessa parametrar i miljövänliga gasisolerade RMU:er, följt av dataanalys, bidrar till att avslöja trender och samband, vilket fördjupar förståelsen av bågbildningsegenskaper och ger grundläggande data för vidare forskning.

1.4 Analys av biprodukter vid bågurladdning
Vid bågurladdning i miljövänliga gasisolerade RMU:er bildas olika biprodukter – såsom oxider, fluorider, klorider och rök – vilka kan utgöra fara för miljön och människors hälsa. För närvarande finns två huvudsakliga metoder för att analysera biprodukter: experimentell analys och numerisk simulering. Experimentell analys innebär att man simulerar bågprocessen i laboratorium, samlar in prov på biprodukter och genomför kemisk analys för att fastställa art och koncentrationsfördelning. Numerisk simulering använder beräkningsmodeller för att förutsäga fördelning av biprodukter och reaktionsvägar. 

Analytiska tekniker såsom kromatografi, masspektrometri och elektronmikroskopi används vid experimentell analys. Vid numerisk simulering används metoder såsom finita elementmetoden och CFD (Computational Fluid Dynamics) för att modellera fördelningen av biprodukter och kemiska reaktionsmekanismer under bågurladdning. Resultat från biproduktanalys förbättrar förståelsen av kemiska reaktioner och energiomvandling under bågurladdning, vilket ger teoretiskt och tekniskt stöd för design och tillämpning av miljövänliga gasisolerade RMU:er, samt referensdata för miljöövervakning och personalförsäkring.

2. Forskning om avbrytningsegenskaper hos miljövänliga gasisolerade ringhuvudenheter

2.1 Grundläggande begrepp och inverkansfaktorer för avbrytningsfenomen
2.1.1 Avbrytningstestmetoder
Avbrytningstest är ett avgörande steg i studien av avbrytningsegenskaper hos miljövänliga gasisolerade RMU:er. Det utförs vanligtvis antingen med konventionella experimentella metoder eller numerisk simulering. Konventionella metoder innebär att bygga en avbrytningsplattform och variera testvillkor (t.ex. ström, spänning) för att observera avbrytningsbeteende och samla in experimentdata. Numerisk simulering använder datorbaserade modeller för att simulera fysikaliska fenomen vid avbrytning, vilket möjliggör snabb generering av stora datamängder och prediktion av avbrytningsprestanda.

2.1.2 Testuppsättning
För att studera avbrottskarakteristika måste en dedikerad avbrottsprovuppsättning designas och konstrueras. Denna uppsättning inkluderar en högspänningsekälla, växlingsutrustning och mätinstrument. Högspänningsekällan tillhandahåller energi till växlingsenheten, som utför den faktiska avbrottsoperationen, medan instrumenten mäter och registrerar avbrottskarakteristika.

2.1.3 Testning och analys av avbrottskarakteristikaparametrar
Forskning om avbrottskarakteristika kräver testning och analys av parametrar som ström, spänning och tid under avbrottsprocessen. Dessa parametrar är viktiga indikatorer för utvärdering av avbrottets prestanda. Ström och spänning beskriver det elektriska beteendet under avbrottet, medan tiden återspeglar den temporala dynamiken. Genom att analysera dessa parametrar kan man få fram kritisk information såsom variationstrender för avbrottsströmmen och -spänningen, avbrottslängden och den totala prestandan.

2.2 Forskningsmetoder och provuppsättningar för avbrottskarakteristika
Vanliga metoder för att studera avbrottskarakteristika hos miljövänliga gasisoleringsskyddade RMU:er inkluderar traditionella avbrottsprov och avancerade numeriska simuleringar. Traditionella prov innefattar inrättande av växlings- och belastningsenheter i ett provrigg, variering av strömförsörjningsparametrar (spänning, ström etc.), observation av övergångsprocesser under avbrottet och inspelning av parametrar som ström, spänning och tid för datahantering och analys. 

I jämförelse med traditionella prov erbjuder numeriska simuleringar högre precision vid modellering av avbrottskarakteristika. Genom datorbaserad simulering och modelleringsmetoder löser numeriska metoder viktiga fysiska fält – såsom elektriska fält, magnetiska fält, temperaturfält och flödesfält – under avbrottet, samtidigt som de tar hänsyn till flera faktorer inklusive ström, spänning, elektrodeavstånd och omgivande temperatur. Dessutom möjliggör numeriska simuleringar optimering av RMU:s design genom att justera materialgenskaper och geometriska konfigurationer.
För provuppsättningen kan högspänningslikströmskällor och högeffektiga kondensatorladdningsenheter ge nödvändiga högspänning- och högströmsförhållanden. Snabbdatainsamlingsystem och inspelningsenheter används för att exakt fånga avbrottsparametrar. För att säkerställa återkomstbarhet och precision måste provuppsättningen kalibreras och valideras.

2.3 Testning och analys av avbrottsström, spänning och tid
Testning och analys av avbrottsström, spänning och tid är en viktig del av studien av avbrottskarakteristika.
(1) Provobjekt: För att förstå avbrottskarakteristika hos miljövänliga gasisoleringsskyddade RMU:er genom testning och analys av avbrottsström, spänning och tid, utvärdera deras prestanda under verkliga driftförhållanden och ge grund för utnyttjande och förbättring av utrustningen.
(2) Provtillbehör: Digitala ampermetrar, spänningstransformatorer, tidsmätinstrument, oscilloskop och datainsamlingsystem används för att säkerställa korrekt mätning av ström, spänning och tid under avbrottet.
(3) Provprocedurer:

• Avbrottsströmtest: Utför avbrott under standardprovskrav, registrera strömvågor och se till att det finns korrekt anslutning mellan provutrustning och RMU. Mät strömförändringar med strömspannare och digitala ampermetrar.

• Avbrottsspänningstest: På liknande sätt utför avbrott under standardvillkor, registrera spänningsvågor och mät spänningsförändringar med spänningstransformatorer och digitala voltmetrar.

• Avbrottstidstest: Använd tidsmätinstrument för att exakt registrera tidsintervallet från start till avslut på avbrottsoperationen.

• Övergångsprocestest: Använd oscilloskop och datainsamlingsystem för att fånga övergångsströms- och spänningsvågor under avbrottet för analys av övergångsegenskaper.

(4) Datainspelning och analys: Registrera strömvågor, spänningsvågor, avbrottstidsdata och övergångsvågor. Analysera om avbrottsströmmen uppfyller ingenjörsbegrepp, om avbrottsspänningen följer specifikationerna och om avbrottstiden uppfyller designkraven. Utvärdera effekten av övergångsprocesser på utrustningens prestanda och stabilitи。通过上述详细的测试程序，综合考虑所有相关因素，确保准确的数据收集和深入分析。结果如表1所示。

Tabell 1: Testning och analys av ström-, spännings- och tidparametrar

Genom analys av tabell 1 kan följande slutsatser dras:

• Det finns en viss relation mellan avbrottsström och spänning; generellt ökar avbrottsströmmen när spänningen ökar.

• Avbrottstiden är relaterad till både ström och spänning; ju högre ström och spänning, desto kortare avbrottstid.

• Vid testning bör man vara uppmärksam på att kontrollera omfattningen av ström och spänning under avbrott för att undvika felaktiga testresultat orsakade av för höga eller för låga värden. Dessutom bör andra inverkande faktorer, som lufttemperatur och fuktighet, också beaktas.

2.4 Elektromagnetisk fältanalys under avbrottet
För elektromagnetisk fältanalys under avbrottet av miljövänliga gasisoleringsslingor måste ett testutrustning uppfinnas för att utföra mätningar och analys av elektromagnetiska fält. I experimentet kan ett system för mätning av elektromagnetiska fält ställas in för att testa och registrera det elektromagnetiska fältet under avbrottet, vilket visas i tabell 2.

Tabell 2: Elektromagnetisk fältanalys under brytningsprocessen

Analys av variationer i det elektromagnetiska fältet under avbrytningens gång baserat på tabell 2 visar att strömmen plötsligt sjunker till noll vid avbrottsögonblicket, och magnetfältets styrka minskar motsvarande kraftigt. Därefter återgår magnetfältets styrka gradvis till sitt föravbrottsstadium. Analys av det elektromagnetiska fältet kan ge viktiga referensdata för design och optimering av miljövänliga gasisoleringsslingor.

3.Analys av forskningsresultat angående bågegenskaper och avbrottskaraktäristik
3.1 Dataanalys och -behandling av parametrar under båg- och avbrottsprocesser
Under båg- och avbrottstester mättes parametrar som ström, spänning och tid separat för att analysera bågegenskaper och avbrottskaraktäristik. I datan behandlades statistiska metoder för att beräkna medelvärde, standardavvikelse och variationskoefficient för varje parameter.

① Bågtestdata analyserades och bearbetades. Medelvärdena för bågström, spänning och tid var 8,5 kA, 4,2 kV respektive 2,5 ms. Standardavvikelsen och variationskoefficienten beräknades också för att förstå fördelningen och stabiliteten av testdatan. Resultaten visade att standardavvikelsen för bågström var 0,8 kA med en variationskoefficient på 9,4%; standardavvikelsen för bågspänning var 0,4 kV med en variationskoefficient på 9,5%; och standardavvikelsen för bågtid var 0,2 ms med en variationskoefficient på 8,0%. Detta indikerar att bågtestdatan visade en relativt stabil fördelning och hög tillförlitlighet.

② Avbrottstestdata analyserades och bearbetades. Medelvärdena för avbrottsström, spänning och tid var 3,5 kA, 3,8 kV respektive 3,0 ms. På samma sätt beräknades standardavvikelsen och variationskoefficienten. Resultaten visade att standardavvikelsen för avbrottsström var 0,5 kA med en variationskoefficient på 14,3%; standardavvikelsen för avbrottsström var 0,3 kV med en variationskoefficient på 7,9%; och standardavvikelsen för avbrottstid var 0,1 ms med en variationskoefficient på 4,4%. Detta antyder att avbrottstestdatan var relativt mindre stabil och hade lägre tillförlitlighet.

Baserat på denna dataanalys kan man dra slutsatsen att tillförlitligheten hos bågtestdatan är högre än den för avbrottstestdata, möjligen på grund av de komplexa elektromagnetiska fälten som involveras i avbrottsprocessen, vilket kräver ytterligare djupgående undersökning. Dessutom kan relationen mellan bågegenskaper och avbrottskaraktäristik utredas ytterligare baserat på testdatan.

3.2 Analys av relationen mellan bågegenskaper och avbrottskaraktäristik
Genom att analysera och bearbeta parametrar från både båg- och avbrottsprocesser kan relationen mellan bågegenskaper och avbrottskaraktäristik studeras ytterligare. Både båg- och avbrottskaraktäristik är viktiga prestandaindikatorer för miljövänliga gasisoleringsslingor, och att förstå deras interrelation kan ge värdefull vägledning för design och optimering.

Från perspektivet av båg- och avbrottskaraktäristik påverkar parametrar som ström, spänning och tid de två processerna på olika sätt. Under bågprocessen är bågström och varaktighet de huvudsakliga parametrarna, medan spänningen också har en viss inverkan. I jämförelse med detta är under avbrottsprocessen avbrottsströmmen den dominerande parametern, med tid och spänning som också spelar en roll. Därför måste de respektive nyckelparametrarna tas i beaktning separat när man analyserar relationen mellan båg- och avbrottskaraktäristik.

Dataanalys visar en viss korrelation mellan båg- och avbrottskaraktäristik:

• En ökning av bågström och spänning leder till högre generering av bågprodukter och större energiförbrukning under bågprocessen, vilket ökar svårigheten i avbrottet.

• En ökning av avbrottsströmmen resulterar i högre bågenergi under avbrottsprocessen, vilket också ökar svårigheten i avbrottet.

Vidare visar analysen av det elektromagnetiska fältet under båg- och avbrottsprocesser att elektromagnetiska fält påverkar båda processerna betydande. Under bågprocessen utövar det elektromagnetiska fältet en begränsande kraft som begränsar bågdiffusion. Under avbrottsprocessen genererar det elektromagnetiska fältet en repellerande kraft som knuffar bågen utåt, vilket påverkar avbrottsprestandan.

Dessa resultat indikerar att båg- och avbrottskaraktäristik är relaterade, främst påverkade av sina huvudsakliga driftsparametrar och effekterna av det elektromagnetiska fältet. Därför bör relationen mellan båg- och avbrottskaraktäristik övervägas omfattande i design och optimering av miljövänliga gasisoleringsslingor, och designen bör anpassas till specifika användningsfall för att uppnå optimal prestanda.

4.Slutord

Genom att studera båg- och avbrottskaraktäristiken hos miljövänliga gasisoleringsslingor kan man dra slutsatsen att dessa karaktäristiker skiljer sig markant från de traditionella SF₆-isolerade slingorna. Miljövänliga gasisoleringsslingor ställer strängare krav på parametrar som ström, spänning och tid, vilket kräver mer exakt design och optimering. Dessutom skiljer sig fördelningen av det elektromagnetiska fältet under båg- och avbrottsprocesser: under bågprocessen är det elektromagnetiska fältet mer koncentrerat och intensivt, medan det under avbrottsprocessen är mer jämnt.

Med fortsatt användning av miljövänliga gasisoleringsslingor kan framtida forskning fokusera på följande aspekter:

• Optimera designen av miljövänliga gasisoleringsslingor genom simulering och analys.

• Undersöka båg- och avbrottskaraktäristik under olika driftsförhållanden.

• Utforska tillämpningspotentialen för nya miljövänliga gaser i isoleringsringar.

Sammanfattningsvis är dessa forskningsresultat av stor betydelse för att främja utvecklingen och optimeringen av miljövänliga gasisolerede ringhuvuden.