Beskyttelse af elnettet:Avanceret plasma switch til mere effektiv transmission

Inde i dit hjem og kontor, lav spænding vekselstrøm (AC) driver lysene, computere og elektroniske enheder til daglig brug. Men når elektriciteten kommer fra fjerntliggende fjerntliggende kilder som f.eks. Vandkraft eller solcelleanlæg, at transportere den som jævnstrøm (DC) er mere effektiv - og at konvertere den tilbage til vekselstrøm kræver omfangsrige og dyre kontakter. Nu er General Electric (GE) virksomheden, med bistand fra forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), udvikler en avanceret switch, der vil konvertere højspændings jævnstrøm til højspændings vekselstrøm til forbrugerne mere effektivt, muliggør reduceret omkostningstransmission af langdistancestrøm. Som et sidste trin, transformerstationer langs ruten reducerer højspændingsstrømmen til lavspændingsstrøm, før den når forbrugere.

GE tester et rør fyldt med plasma - stoffets ladede tilstand består af frie elektroner og ioner, som PPPL undersøger for at forstå fusionsenergi og en lang række processer - som virksomheden udvikler som konverteringsenhed. Omskifteren skal kunne fungere i årevis med en spænding på op til 300 kilovolt for at gøre det muligt for en enkelt enhed omkostningseffektivt at udskifte samlingerne af halvledere, der nu er nødvendige for at konvertere mellem jævnstrøm og vekselstrøm langs transmissionsledninger.

PPPL -modeller skifter

Da testning af en højspændingsplasmakontakt er langsom og dyr, GE har henvendt sig til PPPL for at modellere kontakten for at demonstrere, hvordan den høje strøm påvirker den heliumgas, som virksomheden bruger inde i røret. Simuleringen modellerede nedbrydningen - eller ioniseringen - af gassen, producere frisk indsigt i processens fysik, som forskere rapporterede i et papir accepteret i tidsskriftet Plasmakilder Videnskab og teknologi . Resultaterne bygger på et PPPL -papir fra 2017, der blev offentliggjort i tidsskriftet Plasmas fysik der modellerede effekten af ​​højspændingsnedbrud uden at præsentere en analytisk teori.

Tidligere forskning har længe undersøgt nedbrydningen af ​​gasser ved lavere spænding. Men "GE har at gøre med meget højere spænding, "sagde Igor Kaganovich, stedfortrædende chef for PPPL -teoriafdelingen og PPPL's ​​lavtemperaturplasmalaboratorium og en medforfatter af de to artikler. "Lavtryks- og højspændingsnedbrydningsmekanismen er dårligt forstået på grund af behovet for at overveje nye mekanismer for gasionisering ved høje spændinger, hvilket vi gjorde. "

Resultaterne identificerede tre forskellige nedbrydningsordninger, der bliver vigtige, når højspænding bruges til at omdanne helium til plasma. I disse regimer, elektroner, ioner og hurtige neutrale atomer starter nedbrydningen med tilbagespredning-eller afvisning af-elektroderne, som strømmen strømmer igennem. Disse resultater står stærkt i kontrast til de fleste tidligere modeller, som kun overvejer elektronernes indvirkning på ioniseringsprocessen.

Fund nyttige for GE

Resultaterne viste sig nyttige for GE. "Gasomskifterens potentielle anvendelser afhænger af dens maksimalt mulige spænding, "sagde GE -fysikeren Timothy Sommerer, der leder projektet. "Vi har allerede eksperimentelt demonstreret, at en gasafbryder kan fungere ved 100 kilovolt, og vi arbejder nu på at teste ved 300 kilovolt. Resultaterne fra PPPL-modellen er både videnskabeligt interessante og gunstige for højspændingsgasafbryderdesign."