Дослідження характеристики дугових процесів та переривання екологічно чистих газонаповнених кільцевих головних пультів

Екологічно чисті газозаповнені кільцеві головні панелі (RMU) є важливим обладнанням для розподілу електроенергії в електричних системах, які мають зелені, екологічно безпечні та високонадійні характеристики. Під час роботи формування дуги та її переривання значно впливають на безпеку екологічно чистих газозаповнених RMU. Тому глибоке дослідження цих аспектів має велике значення для забезпечення безпечного та стабільного функціонування енергетичних систем. Ця стаття має за мету дослідити процес формування та переривання дуги в екологічно чистих газозаповнених RMU шляхом експериментального тестування та аналізу даних, вивчаючи їх закономірності та особливості, з метою надання теоретичної підтримки та технічних рекомендацій для розробки такого обладнання.

1. Дослідження характеристик формування дуги в екологічно чистих газозаповнених кільцевих головних панелях

1.1 Основні поняття та впливаючі фактори екологічно чистих газів

Екологічно чисті гази — це гази, які не виснажують озоновий шар. Серед них можна виділити азот (N₂), сухий стислий повітря (деолійоване та деуміднене) та спеціально формулювані нові гази. Екологічно чисті газозаповнені RMU мають переваги, такі як екологічна безпека, надійність та безпека, тому широко використовуються в енергетичних системах. Для вивчення їхніх характеристик формування дуги необхідно зрозуміти основні поняття та впливаючі фактори екологічно чистих газів. 

Фізичні та хімічні властивості, молекулярна структура, температура, тиск, вологість та інші фактори впливають на ізоляційні властивості та поведінку формування дуги цих газів, які повинні бути досліджені експериментально. Крім того, потрібно врахувати практичні проблеми, такі як обсяг споживання газу та його повторне використання. Тому глибоке вивчення основних понять та впливаючих факторів екологічно чистих газів є необхідним для дослідження характеристик формування дуги в екологічно чистих газозаповнених RMU.

1.2 Методи дослідження та експериментальна установка для характеристик формування дуги

Для дослідження характеристик формування дуги необхідно створити стандартизований метод тестування та експериментальну установку. Методи тестування зазвичай включають електричні випробування на основі явищ дуги та хімічний аналіз. Експериментальна установка повинна забезпечувати повторюваність, точність та безпеку, зазвичай включаючи високовольтне джерело, камеру для дуги, вимірювальні прилади та систему збору даних. Камера для дуги є ключовим компонентом, який моделює реальний процес формування дуги всередині екологічно чистого газозаповненого RMU. Для ефективного вивчення характеристик дуги установка повинна забезпечувати відповідні рівні напруги та струму, а також дозволяти реальний запис параметрів, таких як напруга дуги, струм, тривалість та продукти горіння. Також необхідно впровадити достатні заходи безпеки, щоб уникнути аварій під час тестування.

1.3 Випробування та аналіз струму, напруги та тривалості дуги
У дослідженнях характеристик дуги ключовими параметрами є струм, напруга та тривалість дуги. Струм дуги — це величина струму, який проходить через область дуги під час її формування; напруга дуги — це потенційна різниця по ширині області дуги; тривалість дуги — це часовий інтервал від початку до закінчення дуги. Вимірювання цих параметрів вимагає спеціалізованих приладів, таких як високовольтні генератори, трансформатори струму, трансформатори напруги та цифрові осцилографи. Експериментальне тестування та збирання даних цих параметрів в екологічно чистих газозаповнених RMU, а потім аналіз даних, допомагають виявити тенденції та взаємозв'язки, що глибше розкриває характеристики формування дуги та надає базові дані для подальших досліджень.

1.4 Аналіз продуктів горіння під час формування дуги
Під час формування дуги в екологічно чистих газозаповнених RMU утворюються різні продукти горіння, такі як оксиди, фториди, хлориди та дим, які можуть становити загрозу для навколишнього середовища та здоров'я людини. Наразі використовуються два основні підходи для аналізу продуктів горіння: експериментальний аналіз та числове моделювання. Експериментальний аналіз передбачає моделювання процесу формування дуги в лабораторних умовах, збирання зразків продуктів горіння та проведення хімічного аналізу для визначення видів та концентрацій. Числове моделювання використовує обчислювальні моделі для прогнозування розподілу продуктів горіння та шляхів реакцій. 

Для експериментального аналізу використовуються методи, такі як хроматографія, мас-спектрометрія та електронна мікроскопія. У числовому моделюванні використовуються методи, такі як метод скінченних елементів та CFD (Обчислювальна гідродинаміка), для моделювання розподілу продуктів горіння та механізмів хімічних реакцій під час формування дуги. Результати аналізу продуктів горіння поглиблюють розуміння хімічних реакцій та перетворення енергії під час формування дуги, надаючи теоретичну та технічну підтримку для проектування та застосування екологічно чистих газозаповнених RMU, а також референтні дані для моніторингу навколишнього середовища та безпеки персоналу.

2. Дослідження характеристик переривання в екологічно чистих газозаповнених кільцевих головних панелях

2.1 Основні поняття та впливаючі фактори явищ переривання
2.1.1 Методи випробувань переривання
Випробування переривання є ключовим етапом вивчення характеристик переривання екологічно чистих газозаповнених RMU. Зазвичай вони проводяться за допомогою традиційних експериментальних методів або числового моделювання. Традиційні методи передбачають побудову платформи для випробувань переривання та зміну умов випробувань (наприклад, струм, напруга) для спостереження поведінки переривання та збору експериментальних даних. Числове моделювання, з іншого боку, використовує комп'ютерні моделі для моделювання фізичних явищ під час переривання, що дозволяє швидко генерувати великі набори даних та прогнозувати характеристики переривання.

2.1.2 Встановлення для тестування
Для вивчення характеристик переривання необхідно розробити та побудувати спеціальне встановлення для тестування. Це встановлення включає високовольтний джерело живлення, комутаційне обладнання та вимірювальні прилади. Високовольтне джерело живлення забезпечує енергію для комутаційного пристрою, який виконує фактичну операцію переривання, а прилади вимірюють та фіксують характеристики переривання.

2.1.3 Тестування та аналіз параметрів характеристик переривання
Дослідження характеристик переривання вимагає тестування та аналізу параметрів, таких як струм, напруга та час під час процесу переривання. Ці параметри є ключовими індикаторами для оцінки ефективності переривання. Струм та напруга описують електричне поведінку під час переривання, тоді як час відображає часові динаміки. Аналіз цих параметрів відкриває важливу інформацію, таку як тенденції зміни струму та напруги під час переривання, тривалість переривання та загальну продуктивність.

2.2 Методи досліджень та встановлення для тестування характеристик переривання
Загальні методи вивчення характеристик переривання екологічно чистих газонаповнених RMU включають традиційні тестові перевірки та передові числові симуляції. Традиційні перевірки включають встановлення комутаційних та навантажувачів у тестовому стенду, зміну параметрів живлення (напруги, струму тощо), спостереження за перехідними процесами під час переривання та запис параметрів, таких як струм, напруга та час, для обробки та аналізу даних. 

У порівнянні з традиційними перевірками, числові симуляції надають більшу точність моделювання характеристик переривання. Використовуючи комп'ютерні симуляції та методи моделювання, числові методи вирішують ключові фізичні поля, такі як електричне поле, магнітне поле, температурне поле та потік, під час переривання, враховуючи багато факторів, включаючи струм, напругу, відстань між електродами та температуру оточення. Крім того, числові симуляції дозволяють оптимізувати конструкцію RMU, регулюючи властивості матеріалів та геометричні конфігурації.
Для встановлення тесту, високовольтні постачальники DC та високопотужні блоки розряду конденсаторів можуть забезпечити необхідні умови високої напруги та високого струму. Високоскоростні системи збору даних та рекордери використовуються для точного захоплення параметрів переривання. Для забезпечення повторюваності та точності, встановлення для тестування має бути калібровано та перевірено.

2.3 Тестування та аналіз струму, напруги та часу переривання
Тестування та аналіз струму, напруги та часу переривання є важливою частиною вивчення характеристик переривання.
(1) Мета тесту: Зрозуміти характеристики переривання екологічно чистих газонаповнених RMU, виконуючи та аналізуючи тестування струму, напруги та часу переривання, оцінити їхню продуктивність в реальних умовах роботи та надати основу для використання та покращення обладнання.
(2) Обладнання для тестування: Цифрові амперметри, напругові трансформатори, прилади для вимірювання часу, осцилографи та системи збору даних використовуються для забезпечення точного вимірювання струму, напруги та часу під час переривання.
(3) Процедури тестування:

• Тест струму переривання: Виконайте переривання в стандартних умовах тестування, запишіть волнообрази струму та забезпечте правильне з'єднання між тестовим обладнанням та RMU. Виміряйте зміни струму за допомогою трансформаторів струму та цифрових амперметрів.

• Тест напруги переривання: Аналогічно, виконайте переривання в стандартних умовах, запишіть волнообрази напруги та виміряйте зміни напруги за допомогою напругових трансформаторів та цифрових вольтметрів.

• Тест часу переривання: Використовуйте прилади для вимірювання часу, щоб точно записати інтервал часу від початку до завершення операції переривання.

• Тест перехідного процесу: Використовуйте осцилографи та системи збору даних, щоб захопити волнообрази струму та напруги під час переривання для аналізу характеристик перехідних процесів.

(4) Запис даних та аналіз: Запишіть волнообрази струму, волнообрази напруги, дані про час переривання та перехідні волнообрази. Проаналізуйте, чи відповідає струм переривання вимогам інженерії, чи відповідає напруга переривання специфікаціям, чи задовольняє час переривання проектним критеріям. Оцініть вплив перехідних процесів на продуктивність та стабільність обладнання. Благодіячи детальним процедурам тестування, комплексне врахування всіх відповідних факторів забезпечує точне збирання даних та глибокий аналіз. Результати представлені у таблиці 1.

Таблиця 1: Тестування та аналіз параметрів струму, напруги та часу

Аналізуючи таблицю 1, можна зробити наступні висновки:

• Існує певний зв'язок між струмом переривання та напругою; загалом, струм переривання збільшується при збільшенні напруги.

• Час переривання пов'язаний як із струмом, так і з напругою; при більшому струмі та більшій напрузі час переривання скорочується.

• Під час тестування слід приділяти увагу контролю діапазону струму та напруги під час переривання, щоб уникнути неточностей у результаті тестування, спричинених надто високими або надто низькими значеннями. Також слід враховувати інші впливаючі фактори, такі як температура оточуючого середовища та вологость.

2.4 Аналіз електромагнітного поля під час процесу переривання
Для аналізу електромагнітного поля під час процесу переривання екологічно чистих газонаповнених кілець основних ліній необхідно створити тестовий стенд для проведення вимірювань та аналізу електромагнітного поля. У рамках експерименту можна встановити систему вимірювання електромагнітного поля для тестування та запису електромагнітного поля під час процесу переривання, як показано в таблиці 2.

Таблиця 2: Аналіз електромагнітного поля під час процесу розриву

Аналіз змін електромагнітного поля під час процесу переривання на основі таблиці 2 показує, що в момент переривання струм раптово падає до нуля, а сила магнітного поля відповідно швидко зменшується. Пізніше сила магнітного поля поступово повертається до свого стану перед перериванням. Аналіз електромагнітного поля може надати важливі референтні дані для проектування та оптимізації екологічно чистих газонаповнених кільцевих головних розподільчих пристроїв.

3.Аналіз результатів досліджень характеристик утворення дуги та переривання
3.1 Аналіз та обробка параметрів під час процесів утворення дуги та переривання
Під час тестів утворення дуги та переривання окремо вимірювалися такі параметри як струм, напруга та час, для аналізу характеристик утворення дуги та переривання. В процесі обробки даних застосовувалися статистичні методи для розрахунку середнього значення, стандартного відхилення та коефіцієнту варіації кожного параметра.

① Даний аналіз та обробка даних тестів утворення дуги. Середні значення струму, напруги та часу утворення дуги становили 8,5 кА, 4,2 кВ та 2,5 мс відповідно. Було також розраховано стандартне відхилення та коефіцієнт варіації для розуміння розподілу та стабільності тестових даних. Результати показали, що стандартне відхилення струму утворення дуги становило 0,8 кА з коефіцієнтом варіації 9,4%; стандартне відхилення напруги утворення дуги становило 0,4 кВ з коефіцієнтом варіації 9,5%; а стандартне відхилення часу утворення дуги становило 0,2 мс з коефіцієнтом варіації 8,0%. Це свідчить про відносно стабільний розподіл та високу надійність даних тестів утворення дуги.

② Даний аналіз та обробка даних тестів переривання. Середні значення струму, напруги та часу переривання становили 3,5 кА, 3,8 кВ та 3,0 мс відповідно. Аналогічно, були розраховані стандартне відхилення та коефіцієнт варіації. Результати показали, що стандартне відхилення струму переривання становило 0,5 кА з коефіцієнтом варіації 14,3%; стандартне відхилення напруги переривання становило 0,3 кВ з коефіцієнтом варіації 7,9%; а стандартне відхилення часу переривання становило 0,1 мс з коефіцієнтом варіації 4,4%. Це свідчить про відносно меншу стабільність та нижчу надійність даних тестів переривання.

На основі вищезазначеного аналізу даних можна зробити висновок, що надійність даних тестів утворення дуги вища, ніж даних тестів переривання, можливо, через складні електромагнітні поля, що виникають під час процесу переривання, що потребує подальшого глибокого дослідження. Крім того, взаємозв'язок між характеристиками утворення дуги та переривання може бути подальшим предметом дослідження на основі тестових даних.

3.2 Аналіз взаємозв'язку між характеристиками утворення дуги та переривання
Шляхом аналізу та обробки параметрів как у процесі утворення дуги, так і в процесі переривання, можна більш детально вивчити взаємозв'язок між характеристиками утворення дуги та переривання. Обидві характеристики є ключовими показниками продуктивності екологічно чистих газонаповнених кільцевих головних розподільчих пристроїв, і розуміння їх взаємозв'язку може надати цінні вказівки для проектування та оптимізації.

З точки зору характеристик утворення дуги та переривання, параметри, такі як струм, напруга та час, впливають на ці два процеси по-різному. Під час утворення дуги, струм та тривалість утворення дуги є основними параметрами, хоча напруга також має певний вплив. Навпаки, під час переривання, струм переривання є домінуючим параметром, при цьому час та напруга також відіграють роль. Тому, коли аналізуються взаємозв'язки між характеристиками утворення дуги та переривання, необхідно окремо враховувати їх ключові параметри.

Аналіз даних показує певну кореляцію між характеристиками утворення дуги та переривання:

• Збільшення струму та напруги утворення дуги призводить до більшої продукції побічних продуктів дуги та більшого споживання енергії під час утворення дуги, що збільшує складність переривання.

• Збільшення струму переривання призводить до більшої енергії дуги під час переривання, що також збільшує складність переривання.

Крім того, аналіз електромагнітного поля під час утворення дуги та переривання показує, що електромагнітні поля значно впливають на обидва процеси. Під час утворення дуги, електромагнітне поле викликає обмежувальну силу, що обмежує розсіяння дуги. Під час переривання, електромагнітне поле генерує відштовхувальну силу, що відштовхує дугу на зовні, впливаючи на продуктивність переривання.

Ці результати показують, що характеристики утворення дуги та переривання взаємопов'язані, головним чином, впливаючи на їх ключові експлуатаційні параметри та ефекти електромагнітного поля. Тому, при проектуванні та оптимізації екологічно чистих газонаповнених кільцевих головних розподільчих пристроїв, слід комплексно враховувати взаємозв'язок між характеристиками утворення дуги та переривання, та адаптувати дизайни до конкретних сценаріїв застосування для досягнення оптимальної продуктивності.

4.Висновок

Вивчаючи характеристики утворення дуги та переривання екологічно чистих газонаповнених кільцевих головних розподільчих пристроїв, можна зробити висновок, що ці характеристики значно відрізняються від характеристик традиційних SF₆-наповнених кільцевих головних розподільчих пристроїв. Екологічно чисті газонаповнені RMU вимагають строгіших вимог до параметрів, таких як струм, напруга та час, що потребує більш точного проектування та оптимізації. Крім того, розподіл електромагнітного поля під час утворення дуги та переривання відрізняється: під час утворення дуги, електромагнітне поле є більш концентрованим та інтенсивним, тоді як під час переривання, воно є більш однорідним.

З розширенням застосування екологічно чистих газонаповнених кільцевих головних розподільчих пристроїв, майбутні дослідження можуть бути орієнтовані на наступні аспекти:

• Оптимізація проектування екологічно чистих газонаповнених RMU за допомогою моделювання.

• Дослідження характеристик утворення дуги та переривання в різних експлуатаційних умовах.

• Вивчення потенціалу застосування нових екологічно чистих газів у газонаповнених кільцевих головних розподільчих пристроях.

Загалом, ці наукові результати мають велике значення для поступового розвитку та оптимізації екологічно чистих газонаповнених кільцевих магістральних пультів.