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Metodo di misura della temperatura d’arco in CO2/O2: dispositivo e risultati

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Metodo di misura della temperatura d’arco in CO2/O2: dispositivo e risultati

Obiettivi principali dell’ attività 2006 sono stati la messa a punto del sistema streak, al fine di correggere dispersione ed efficienza spettrale, l’ individuazione delle righe di emissione più idonee per la determinazione della temperatura del plasma e lo studio di un’ implementazione del sistema per effettuare misure spettrali del fenomeno risolte spazialmente.

Il presente rapporto descrive le attività di Ricerca di Sistema svolte nell’ambito del Progetto TRASMISSIONE E DISTRIBUZIONE, Work Package 4.1 “Evoluzione nella struttura e nella gestione delle reti di distribuzione” e sintetizza l’attività svolta nel 2006 nell’ambito della task “Studio del fenomeno d’arco in CO2/O2”. Dagli studi condotti in attività precedenti per la ricerca di un’alternativa più ecocompatibile all’esafluoruro di zolfo, è stata individuata e sperimentata la miscela CO2/O2. Per ciò che riguarda gli studi del fenomeno d’arco in tale miscela, è stato realizzato un dispositivo che permetteva la registrazione spettroscopica ad alta velocità dell’emissione radiativa generata dall’arco. Obiettivi principali dell’attività 2006 sono stati la messa a punto del sistema streak, al fine di correggere dispersione ed efficienza spettrale, l’individuazione delle righe di emissione più idonee per la determinazione della temperatura del plasma e lo studio di un’implementazione del sistema per effettuare misure spettrali del fenomeno risolte spazialmente. Inoltre, il dispositivo di studio del fenomeno d’arco è stato modificato per permettere lo studio sperimentale della tensione di scarica in campo elettrico uniforme, in funzione del prodotto pressione del gas per distanza degli elettrodi (curva di Paschen) per CO2/vuoto. Per aumentare le prestazioni della miscela CO2 (80%)/O2(20%), senza incrementarne notevolmente la pressione e tentarne quindi un utilizzo anche in interruttori con livelli di isolamento maggiori, si potrebbe pensare infatti di adottare una tecnica ibrida vuoto/gas, già sperimentata per SF6. I risultati più significativi sono di seguito elencati: – Risoluzione preliminare dei due principali problemi legati alle ottiche del sistema streak 1) variazione del valore di dispersione spettrale in funzione della lunghezza d’onda, per la quale è stata inserita la possibilità di una correzione automatica di tipo lineare; 2) non costante efficienza del sistema, sia nella finestra spettrale di acquisizione che nell’intervallo spettrale di funzionamento del sistema, per la quale sono state implementate le correzioni di “Shading” e di “Spectral Sensitivity”, in base all’acquisizione dello spettro di una lampada calibrata in intensità nell’intervallo 400¸800 nm. Entrambe le soluzioni adottate necessitano ancora di alcune modifiche della nuova versione del software di acquisizione ed elaborazione dati, fornito dal costruttore, e di una calibrazione in intensità sull’intero range spettrale della streak camera. Pertanto, dopo un’indagine di mercato, è stata acquistata una lampada Deuterio/Tungsteno DH2000-CAL calibrata in intensità nel range 220-1050 nm. Tale apparecchiatura sarà disponibile a inizio 2007.

– Acquisto di una torcia al plasma ad arco non trasferito per la messa a punto del metodo di misura della temperatura Le dimensioni ridotte e l’alimentazione in BT del dispositivo hanno consentito la sua collocazione presso il Laboratorio Materiali, accanto al sistema streak camera. Un collegamento a pulsante permette di accendere contemporaneamente la torcia e di fornire il segnale di trigger al sistema streak camera per acquisire l’immagine. Il plasma può essere generato in atmosfere diverse quali aria, CO2, N2, Ar o miscele di gas, e la luce emessa viene raccolta tramite una fibra ottica posizionata in prossimità dell’ugello di fuoriuscita del gas. – Studio delle immagini spettroscopiche dell’arco di potenza in atmosfera CO2/O2, acquisite nelle prove a fine 2005, e di quelle ottenute con la torcia al plasma Dallo studio, condotto in collaborazione con il Dipartimento di Elettronica dell’Università di Pavia, è emerso che: – lo spettro continuo sperimentale non è correlabile con l’emissione da corpo nero; – per l’arco di potenza, il problema appare, come già emerso nell’attività precedente, quello di riuscire ad osservare nello stesso evento di plasma due righe spettrali significative del carbonio C. Infatti, utilizzando nel sistema il reticolo di diffrazione con risoluzione spettrale minore (da 150 righe/mm), solo la riga CI (stato neutro) a 247.856 nm appare risolta e di intensità sufficiente, mentre le altre righe sono sovrapposte a righe di altre specie risultando perciò inutilizzabili per la valutazione della temperatura con il metodo del rapporto di intensità di riga; – lo spettro di emissione del plasma in CO2 generato dalla torcia, presenta righe dovute a CI, OI e CuI. Per il carbonio C le considerazioni sono analoghe a quanto riscontrato per l’arco di potenza, mentre le righe di rame Cu non sono utilizzabili in quanto, oltre che essere dovute a materiale solido emesso dagli elettrodi in modo disuniforme spazialmente, non ne sono noti e/o confermati sperimentalmente molti dati spettroscopici. Le righe che hanno riscosso maggior interesse sono nell’infrarosso, relative all’ossigeno OI, rispettivamente a 777.42 nm e a 844.64 nm. Entrambe le righe sono sufficientemente risolte ed intense e vicine in termini di lunghezza d’onda: in questo modo ne è stata possibile l’osservazione contemporanea con un reticolo da 600 righe/mm. L’osservazione del plasma a quote diverse, corrispondenti a zone con temperatura differente, ha indicato inoltre l’esistenza di una relazione tra temperatura e rapporto tra l’intensità di emissione delle righe di ossigeno. Utilizzando i valori di intensità, ottenuti tramite la calibrazione con lampada, e l’equazione di Saha-Boltzmann è stato possibile ottenere valori credibili di temperatura compresi tra 7400 e 18000 K in funzione della distanza dall’ugello. La ripetibilità delle misure di temperatura e la loro affidabilità sarà materia di studio nel corso del 2007. – Requisiti e modalità per l’effettuazione di misure spettroscopiche risolte spazialmente E’ stato individuato un sistema di lenti ed un dispositivo Two Axis Micromirror (tecnologia MEMS) che può permettere di accoppiare in successione 10 fibre ottiche, posizionate sullo stesso piano perpendicolarmente alla colonna d’arco ed inserite nell’ugello di soffio della camera di interruzione, con

l’unica fibra in uscita verso lo spettrometro della streak camera. Dai calcoli eseguiti per il dimensionamento delle ottiche e dello specchio e per verificare l’efficienza del sistema è emersa la necessità di un microspecchio con dimensioni e trattamento UV+visibile che non rientrano fra i componenti standard. – Valutazione sperimentale della tensione di scarica in campo elettrico uniforme in funzione del prodotto pressione del gas per distanza degli elettrodi Sono stati realizzati e montati gli elettrodi piani per creare una configurazione di campo uniforme nella zona centrale del dispositivo ed è stato collegato il sistema per il riempimento e lo svuotamento del gas. Le prime misure di tensione di scarica sono state effettuate in aria nell’intervallo 103¸10-5 mbar, verificando l’ottimo accordo fino a 5 mbar con la curva di Paschen, fornita in letteratura, ed il valore limite di tenuta al vuoto dell’apparato sperimentale. Poiché le fluttuazioni presenti a bassi valori di scarica, sono attribuibili al passo minimo di tensione del regolatore non idoneo al di sotto di 1 kV, le misure su CO2 (80%)/O2(20%) verranno con un alimentatore da 1¸3 kV in continua, che consente step almeno 10 volte inferiori.

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