Nghiên cứu về Đặc tính Phát hồ quang và Ngắt mạch của Đơn vị chính vòng dùng khí cách điện thân thiện với môi trường

Các thiết bị phân phối điện thân thiện với môi trường như các tủ phân phối vòng có cách điện khí (RMUs) là thiết bị quan trọng trong hệ thống điện, có đặc điểm xanh, thân thiện với môi trường và độ tin cậy cao. Trong quá trình hoạt động, đặc tính hình thành và ngắt hồ quang ảnh hưởng đáng kể đến an toàn của RMUs có cách điện khí thân thiện với môi trường. Do đó, nghiên cứu sâu về các khía cạnh này có ý nghĩa rất lớn để đảm bảo vận hành an toàn và ổn định của hệ thống điện. Bài viết này nhằm điều tra đặc tính hình thành và ngắt hồ quang của RMUs có cách điện khí thân thiện với môi trường thông qua thử nghiệm và phân tích dữ liệu, khám phá các quy luật và đặc điểm, với mục tiêu cung cấp hỗ trợ lý thuyết và hướng dẫn kỹ thuật cho nghiên cứu và phát triển thiết bị như vậy.

1. Nghiên cứu Đặc tính Hình thành Hồ Quang của Tủ Phân phối Vòng Có Cách điện Khí Thân thiện với Môi trường

1.1 Khái niệm Cơ bản và Các Yếu tố Ảnh hưởng của Khí Thân thiện với Môi trường

Khí thân thiện với môi trường đề cập đến các khí không làm suy giảm tầng ôzôn. Một số ví dụ phổ biến bao gồm nitơ (N₂), không khí khô nén (đã loại dầu và độ ẩm), và các khí mới được pha chế đặc biệt. RMUs có cách điện khí thân thiện với môi trường mang lại lợi ích như thân thiện với môi trường, an toàn và đáng tin cậy, và do đó được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện. Việc nghiên cứu đặc tính hình thành hồ quang của chúng đòi hỏi hiểu biết về các khái niệm cơ bản và yếu tố ảnh hưởng của khí thân thiện với môi trường. 

Các thuộc tính vật lý và hóa học, cấu trúc phân tử, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và các yếu tố khác đều ảnh hưởng đến hiệu suất cách điện và hành vi hình thành hồ quang của các khí này, cần phải được điều tra thực nghiệm. Ngoài ra, các thách thức thực tế như lượng khí tiêu thụ và khả năng tái chế cũng cần được giải quyết. Do đó, việc nghiên cứu sâu về các khái niệm cơ bản và yếu tố ảnh hưởng của khí thân thiện với môi trường là rất cần thiết để nghiên cứu đặc tính hình thành hồ quang trong RMUs có cách điện khí thân thiện với môi trường.

1.2 Phương pháp Nghiên cứu và Thiết lập Thử nghiệm cho Đặc tính Hình thành Hồ Quang

Việc nghiên cứu đặc tính hình thành hồ quang đòi hỏi việc thiết lập một phương pháp thử nghiệm chuẩn hóa và thiết lập thí nghiệm. Các phương pháp thử nghiệm thường bao gồm thử nghiệm điện dựa trên hiện tượng hồ quang và phân tích hóa học. Thiết lập thử nghiệm phải đảm bảo tính lặp lại, chính xác và an toàn, thường bao gồm nguồn điện áp cao, buồng hồ quang, thiết bị đo lường và hệ thống thu thập dữ liệu. Buồng hồ quang là thành phần quan trọng, mô phỏng quá trình hình thành hồ quang thực sự bên trong RMUs có cách điện khí thân thiện với môi trường. Để nghiên cứu hiệu quả các đặc tính hồ quang, thiết lập phải cung cấp mức điện áp và cường độ dòng điện phù hợp và cho phép ghi chép thời gian thực các tham số như điện áp hồ quang, cường độ dòng điện, thời gian và sản phẩm phụ. Các biện pháp an toàn đầy đủ cũng phải được thực hiện để ngăn ngừa tai nạn trong quá trình thử nghiệm.

1.3 Thử nghiệm và Phân tích Cường độ Dòng điện, Điện áp và Thời gian Hồ Quang
Trong nghiên cứu đặc tính hồ quang, cường độ dòng điện, điện áp và thời gian hồ quang là các tham số chính. Cường độ dòng điện hồ quang đề cập đến mức cường độ dòng điện chảy qua khu vực hồ quang trong quá trình hồ quang; điện áp hồ quang là sự chênh lệch điện thế giữa hai đầu khu vực hồ quang; và thời gian hồ quang là khoảng thời gian từ khi hồ quang bắt đầu đến khi tắt. Đo lường các tham số này yêu cầu các thiết bị chuyên dụng như máy phát điện áp cao, biến áp dòng điện, biến áp điện áp và máy dao động số. Thử nghiệm thực nghiệm và thu thập dữ liệu về các tham số này trong RMUs có cách điện khí thân thiện với môi trường, sau đó phân tích dữ liệu, giúp tiết lộ xu hướng và mối quan hệ, do đó làm sâu sắc thêm hiểu biết về đặc tính hình thành hồ quang và cung cấp dữ liệu nền tảng cho nghiên cứu tiếp theo.

1.4 Phân tích Sản phẩm Phụ Trong Quá trình Hồ Quang
Trong quá trình hồ quang của RMUs có cách điện khí thân thiện với môi trường, các sản phẩm phụ như oxit, fluorida, clorua và khói được tạo ra, có thể gây nguy hiểm cho môi trường và sức khỏe con người. Hiện nay, có hai phương pháp chính được sử dụng để phân tích sản phẩm phụ hồ quang: phân tích thực nghiệm và mô phỏng số. Phân tích thực nghiệm bao gồm việc mô phỏng quá trình hồ quang trong phòng thí nghiệm, thu mẫu sản phẩm phụ và tiến hành phân tích hóa học để xác định phân bố loài và nồng độ. Mô phỏng số sử dụng các mô hình tính toán để dự đoán phân bố sản phẩm phụ và đường dẫn phản ứng. 

Các kỹ thuật phân tích như sắc ký, quang phổ khối, và kính hiển vi điện tử được sử dụng trong phân tích thực nghiệm. Trong mô phỏng số, các phương pháp như phân tích phần tử hữu hạn và CFD (Dynamics of Computational Fluids) được sử dụng để mô phỏng phân bố sản phẩm phụ và cơ chế phản ứng hóa học trong quá trình hồ quang. Kết quả từ phân tích sản phẩm phụ tăng cường hiểu biết về các phản ứng hóa học và chuyển đổi năng lượng trong quá trình hồ quang, cung cấp hỗ trợ lý thuyết và kỹ thuật cho thiết kế và ứng dụng của RMUs có cách điện khí thân thiện với môi trường, cũng như dữ liệu tham khảo cho giám sát môi trường và an toàn cho nhân viên.

2. Nghiên cứu Đặc tính Ngắt của Tủ Phân phối Vòng Có Cách điện Khí Thân thiện với Môi trường

2.1 Khái niệm Cơ bản và Các Yếu tố Ảnh hưởng của Hiện tượng Ngắt
2.1.1 Phương pháp Thử nghiệm Ngắt
Thử nghiệm ngắt là bước quan trọng trong việc nghiên cứu đặc tính ngắt của RMUs có cách điện khí thân thiện với môi trường. Nó thường được thực hiện bằng cách sử dụng các phương pháp thực nghiệm truyền thống hoặc mô phỏng số. Các phương pháp truyền thống bao gồm xây dựng một nền tảng thử nghiệm ngắt và thay đổi các điều kiện thử nghiệm (ví dụ: dòng điện, điện áp) để quan sát hành vi ngắt và thu thập dữ liệu thực nghiệm. Mô phỏng số, ngược lại, sử dụng các mô hình máy tính để mô phỏng các hiện tượng vật lý trong quá trình ngắt, cho phép tạo ra nhanh chóng các tập dữ liệu lớn và dự đoán hiệu suất ngắt.

2.1.2 Thiết lập thử nghiệm
Để nghiên cứu đặc tính ngắt, phải thiết kế và xây dựng một hệ thống thử nghiệm ngắt chuyên dụng. Hệ thống này bao gồm nguồn điện áp cao, thiết bị chuyển mạch và các thiết bị đo lường. Nguồn điện áp cao cung cấp năng lượng cho thiết bị chuyển mạch, thực hiện hoạt động ngắt thực tế, trong khi các thiết bị đo lường và ghi lại các đặc tính ngắt.

2.1.3 Thử nghiệm và phân tích các tham số đặc trưng ngắt
Nghiên cứu về đặc tính ngắt yêu cầu thử nghiệm và phân tích các tham số như dòng điện, điện áp và thời gian trong quá trình ngắt. Các tham số này là chỉ báo quan trọng để đánh giá hiệu suất ngắt. Dòng điện và điện áp mô tả hành vi điện trong quá trình ngắt, trong khi thời gian phản ánh động lực học theo thời gian. Phân tích các tham số này tiết lộ thông tin quan trọng như xu hướng biến đổi của dòng điện và điện áp ngắt, thời gian ngắt và hiệu suất tổng thể.

2.2 Phương pháp nghiên cứu và thiết lập thử nghiệm cho đặc tính ngắt
Các phương pháp phổ biến để nghiên cứu đặc tính ngắt của RMU cách điện khí thân thiện với môi trường bao gồm các thử nghiệm ngắt truyền thống và mô phỏng số tiên tiến. Các thử nghiệm truyền thống liên quan đến việc thiết lập các thiết bị chuyển mạch và tải trên giàn thử nghiệm, thay đổi các tham số nguồn điện (điện áp, dòng điện, v.v.), quan sát các quá trình tạm thời trong quá trình ngắt, và ghi lại các tham số như dòng điện, điện áp và thời gian để xử lý và phân tích dữ liệu. 

So với các thử nghiệm truyền thống, mô phỏng số cung cấp độ chính xác cao hơn trong việc mô hình hóa đặc tính ngắt. Sử dụng kỹ thuật mô phỏng và mô hình hóa máy tính, các phương pháp số giải quyết các trường vật lý chính - như trường điện, từ trường, trường nhiệt và trường lưu lượng - trong quá trình ngắt, đồng thời xem xét nhiều yếu tố bao gồm dòng điện, điện áp, khoảng cách giữa các điện cực và nhiệt độ môi trường. Hơn nữa, mô phỏng số cho phép tối ưu hóa thiết kế RMU bằng cách điều chỉnh các tính chất vật liệu và cấu hình hình học.
Đối với hệ thống thử nghiệm, nguồn điện DC cao áp và bộ phóng điện tụ có công suất lớn có thể cung cấp các điều kiện điện áp và dòng điện cao cần thiết. Các hệ thống thu thập dữ liệu tốc độ cao và thiết bị ghi được sử dụng để chính xác ghi lại các tham số ngắt. Để đảm bảo tính lặp lại và chính xác, hệ thống thử nghiệm phải được hiệu chuẩn và xác minh.

2.3 Thử nghiệm và phân tích dòng điện, điện áp và thời gian ngắt
Thử nghiệm và phân tích dòng điện, điện áp và thời gian ngắt là một phần quan trọng trong việc nghiên cứu đặc tính ngắt.
(1) Mục tiêu thử nghiệm: Để hiểu rõ đặc tính ngắt của RMU cách điện khí thân thiện với môi trường thông qua việc thử nghiệm và phân tích dòng điện, điện áp và thời gian ngắt, đánh giá hiệu suất của chúng trong điều kiện vận hành thực tế, và cung cấp cơ sở cho việc sử dụng và cải tiến thiết bị.
(2) Thiết bị thử nghiệm: Ampe kế số, biến áp điện áp, thiết bị đo thời gian, máy hiển thị sóng và hệ thống thu thập dữ liệu được sử dụng để đảm bảo đo lường chính xác dòng điện, điện áp và thời gian trong quá trình ngắt.
(3) Quy trình thử nghiệm:

• Thử nghiệm dòng điện ngắt: Thực hiện ngắt dưới điều kiện thử nghiệm chuẩn, ghi lại dạng sóng dòng điện, và đảm bảo kết nối đúng giữa thiết bị thử nghiệm và RMU. Đo sự thay đổi dòng điện bằng biến áp dòng và ampe kế số.

• Thử nghiệm điện áp ngắt: Tương tự, thực hiện ngắt dưới điều kiện chuẩn, ghi lại dạng sóng điện áp, và đo sự thay đổi điện áp bằng biến áp điện áp và voltmeter số.

• Thử nghiệm thời gian ngắt: Sử dụng thiết bị đo thời gian để chính xác ghi lại khoảng thời gian từ lúc bắt đầu đến khi hoàn thành hoạt động ngắt.

• Thử nghiệm quá trình tạm thời: Sử dụng máy hiển thị sóng và hệ thống thu thập dữ liệu để ghi lại dạng sóng dòng điện và điện áp tạm thời trong quá trình ngắt để phân tích đặc tính tạm thời.

(4) Ghi dữ liệu và phân tích: Ghi lại dạng sóng dòng điện, dạng sóng điện áp, dữ liệu thời gian ngắt và dạng sóng tạm thời. Phân tích xem dòng điện ngắt có đáp ứng yêu cầu kỹ thuật không, xem điện áp ngắt có tuân thủ quy định không, và xem thời gian ngắt có thỏa mãn tiêu chí thiết kế không. Đánh giá tác động của các quá trình tạm thời lên hiệu suất và ổn định của thiết bị. Thông qua các quy trình thử nghiệm chi tiết nêu trên, xem xét toàn diện tất cả các yếu tố liên quan đảm bảo thu thập dữ liệu chính xác và phân tích sâu sắc. Kết quả được hiển thị trong Bảng 1.

Bảng 1: Thử nghiệm và phân tích các tham số dòng điện, điện áp và thời gian

Qua phân tích Bảng 1, có thể rút ra các kết luận sau:

• Có mối quan hệ nhất định giữa dòng điện ngắt và điện áp; nói chung, dòng điện ngắt tăng khi điện áp tăng.

• Thời gian ngắt liên quan đến cả dòng điện và điện áp; dòng điện và điện áp càng cao, thời gian ngắt càng ngắn.

• Trong quá trình thử nghiệm, cần chú ý kiểm soát phạm vi dòng điện và điện áp trong quá trình ngắt để tránh sai số trong kết quả thử nghiệm do giá trị quá cao hoặc quá thấp. Ngoài ra, cũng cần xem xét các yếu tố ảnh hưởng khác như nhiệt độ và độ ẩm môi trường.

2.4 Phân tích Trường Điện Từ Trong Quá Trình Ngắt
Để phân tích trường điện từ trong quá trình ngắt của tủ phân phối vòng tròn cách điện khí thân thiện với môi trường, cần thiết lập một bộ thí nghiệm để tiến hành đo lường và phân tích trường điện từ. Trong thí nghiệm, có thể thiết lập hệ thống đo lường trường điện từ để thử nghiệm và ghi lại trường điện từ trong quá trình ngắt, như được hiển thị trong Bảng 2.

Bảng 2: Phân tích Trường Điện Từ Trong Quá Trình Ngắt

Phân tích biến đổi của trường điện từ trong quá trình ngắt dựa trên Bảng 2 cho thấy rằng tại thời điểm ngắt, dòng điện đột ngột giảm xuống không và cường độ từ trường tương ứng giảm mạnh. Sau đó, cường độ từ trường dần phục hồi về trạng thái trước khi ngắt. Phân tích trường điện từ có thể cung cấp dữ liệu tham khảo quan trọng cho thiết kế và tối ưu hóa các tủ phân phối vòng kín cách điện khí thân thiện với môi trường.

3.Phân tích Kết quả Nghiên cứu về Đặc tính Tia lửa và Ngắt
3.1 Phân tích và Xử lý Dữ liệu Các Thông số Trong Quá trình Tia lửa và Ngắt
Trong các thử nghiệm tia lửa và ngắt, các thông số như dòng điện, điện áp và thời gian được đo riêng biệt để phân tích đặc tính tia lửa và ngắt. Trong xử lý dữ liệu, các phương pháp thống kê đã được sử dụng để tính giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số biến động cho mỗi thông số.

① Dữ liệu thử nghiệm tia lửa đã được phân tích và xử lý. Giá trị trung bình của dòng điện tia lửa, điện áp và thời gian lần lượt là 8,5 kA, 4,2 kV và 2,5 ms. Độ lệch chuẩn và hệ số biến động cũng được tính toán để hiểu sự phân bố và ổn định của dữ liệu thử nghiệm. Kết quả cho thấy độ lệch chuẩn của dòng điện tia lửa là 0,8 kA với hệ số biến động là 9,4%; độ lệch chuẩn của điện áp tia lửa là 0,4 kV với hệ số biến động là 9,5%; và độ lệch chuẩn của thời gian tia lửa là 0,2 ms với hệ số biến động là 8,0%. Điều này cho thấy dữ liệu thử nghiệm tia lửa có sự phân bố tương đối ổn định và độ tin cậy cao.

② Dữ liệu thử nghiệm ngắt đã được phân tích và xử lý. Giá trị trung bình của dòng điện ngắt, điện áp và thời gian lần lượt là 3,5 kA, 3,8 kV và 3,0 ms. Tương tự, độ lệch chuẩn và hệ số biến động cũng được tính toán. Kết quả cho thấy độ lệch chuẩn của dòng điện ngắt là 0,5 kA với hệ số biến động là 14,3%; độ lệch chuẩn của điện áp ngắt là 0,3 kV với hệ số biến động là 7,9%; và độ lệch chuẩn của thời gian ngắt là 0,1 ms với hệ số biến động là 4,4%. Điều này cho thấy dữ liệu thử nghiệm ngắt ít ổn định hơn và có độ tin cậy thấp hơn.

Dựa trên phân tích dữ liệu trên, có thể kết luận rằng độ tin cậy của dữ liệu thử nghiệm tia lửa cao hơn so với dữ liệu thử nghiệm ngắt, có thể do sự phức tạp của trường điện từ trong quá trình ngắt, điều này cần được nghiên cứu sâu hơn. Ngoài ra, mối quan hệ giữa đặc tính tia lửa và ngắt có thể được khám phá thêm dựa trên dữ liệu thử nghiệm.

3.2 Phân tích Mối quan hệ Giữa Đặc tính Tia lửa và Ngắt
Bằng cách phân tích và xử lý các thông số từ cả hai quá trình tia lửa và ngắt, mối quan hệ giữa đặc tính tia lửa và ngắt có thể được nghiên cứu sâu hơn. Cả đặc tính tia lửa và ngắt đều là các chỉ số hiệu suất chính của các tủ phân phối vòng kín cách điện khí thân thiện với môi trường, và việc hiểu mối quan hệ giữa chúng có thể cung cấp hướng dẫn quý giá cho thiết kế và tối ưu hóa.

Từ góc độ đặc tính tia lửa và ngắt, các thông số như dòng điện, điện áp và thời gian ảnh hưởng đến hai quá trình theo cách khác nhau. Trong quá trình tia lửa, dòng điện và thời gian tia lửa là các thông số chính, trong khi điện áp cũng có một tác động nhất định. Trái lại, trong quá trình ngắt, dòng điện ngắt là thông số chủ đạo, với thời gian và điện áp cũng đóng vai trò. Do đó, khi phân tích mối quan hệ giữa đặc tính tia lửa và ngắt, các thông số chính của chúng phải được xem xét riêng biệt.

Phân tích dữ liệu cho thấy có một mối quan hệ nhất định giữa đặc tính tia lửa và ngắt:

• Sự tăng lên của dòng điện và điện áp tia lửa dẫn đến sự sinh ra nhiều sản phẩm phụ của tia lửa và tiêu thụ năng lượng lớn hơn trong quá trình tia lửa, do đó làm tăng khó khăn trong quá trình ngắt.

• Sự tăng lên của dòng điện ngắt dẫn đến năng lượng tia lửa lớn hơn trong quá trình ngắt, cũng làm tăng khó khăn trong quá trình ngắt.

Ngoài ra, phân tích trường điện từ trong quá trình tia lửa và ngắt cho thấy trường điện từ có ảnh hưởng đáng kể đến cả hai quá trình. Trong quá trình tia lửa, trường điện từ tạo ra lực hạn chế, hạn chế sự lan rộng của tia lửa. Trong quá trình ngắt, trường điện từ tạo ra lực đẩy đẩy tia lửa ra ngoài, ảnh hưởng đến hiệu suất ngắt.

Những phát hiện này cho thấy đặc tính tia lửa và ngắt có mối quan hệ với nhau, chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các thông số hoạt động chính và hiệu ứng trường điện từ. Do đó, trong thiết kế và tối ưu hóa các tủ phân phối vòng kín cách điện khí thân thiện với môi trường, mối quan hệ giữa đặc tính tia lửa và ngắt nên được xem xét toàn diện, và thiết kế nên được điều chỉnh phù hợp với các tình huống ứng dụng cụ thể để đạt được hiệu suất tối ưu.

4.Kết luận

Qua nghiên cứu về đặc tính tia lửa và ngắt của các tủ phân phối vòng kín cách điện khí thân thiện với môi trường, có thể kết luận rằng những đặc tính này khác biệt đáng kể so với các tủ phân phối vòng kín cách điện SF₆ truyền thống. Các tủ phân phối vòng kín cách điện khí thân thiện với môi trường đặt yêu cầu nghiêm ngặt hơn đối với các thông số như dòng điện, điện áp và thời gian, đòi hỏi thiết kế và tối ưu hóa chính xác hơn. Ngoài ra, phân bố trường điện từ trong quá trình tia lửa và ngắt cũng khác nhau: trong quá trình tia lửa, trường điện từ tập trung và mạnh mẽ hơn, trong khi trong quá trình ngắt, nó đồng đều hơn.

Khi ứng dụng của các tủ phân phối vòng kín cách điện khí thân thiện với môi trường tiếp tục mở rộng, nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào các khía cạnh sau:

• Tối ưu hóa thiết kế các tủ phân phối vòng kín cách điện khí thân thiện với môi trường thông qua phân tích mô phỏng.

• Nghiên cứu đặc tính tia lửa và ngắt dưới các điều kiện vận hành khác nhau.

• Khám phá tiềm năng ứng dụng của các khí thân thiện với môi trường mới trong các tủ phân phối vòng kín cách điện.

Tóm lại, những kết quả nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng đối với việc thúc đẩy sự phát triển và tối ưu hóa của các thiết bị phân phối vòng kín cách điện khí thân thiện với môi trường.