Gevorderde boog-geaktiveerde vusesoplossing vir hoogspane en hoogstroomtoepassings
I. Navorsingsagtergrond en Kernprobleme
1.1 Navorsingsagtergrond
Met die voortdurende uitbreiding van die skaal van kragstelsels en die toenemende kortsluitvermoë, word hoër eise gestel aan foute stroombeperkingsbeskermtoerusting. Bestaande hoofstroomsoplossings sluit supergeleide foute stroombeperkers (SFCL), hibriede stroombeperkende skakelaars, en hibriede stroombeperkende veisers in. Van hierdie is hibriede stroombeperkende veisers die markvoorkeur weens hul hoë tegnologiese volwassenheid, koste-effektiwiteit, en wye toepassing.
Die bestaande tegnologie het egter twee groot beperkings:
• Elektronies Geregieerde Tipe: Hang af van sensitiewe elektroniese komponente en 'n eksterne reguleerkragsvoorsiening, wat dit vatbaar maak vir mislukking of foute as gevolg van komponentefalings of verlies van reguleerkragsvoorsiening. Sy betroubaarheid word deur eksterne omstandighede beperk.
• Bog-Geaktiveerde Tipe: Hoewel dit voordele soos eenvoudige struktuur, sterke anti-stooringsvermoë, kompakte grootte, en lae koste bied, is sy aangewe stroom (gewoonlik ≤600A) en skakelvermoë (gewoonlik ≤25kA) relatief lae, wat dit moeilik maak om die dringende behoeftes van hoëspanning en hoëstroom industriële toepassings (bv. grootskale metallurgie, chemiese plante, data sentrums) te bevredig.
1.2 Kernkonflik
Die verbetering van die prestasie van bog-geaktiveerde veisers ervaar 'n fundamentele konflik: die afweging tussen vinnige operasie en stroomdra-vermoë. Om vinnige operasie (lae voor-bog I²t waarde) te bereik, word 'n klein doorsnede van die veiser-element-konstruksie vereis. Integendeel, om die aangewe stroomdra-vermoë te verhoog, word 'n groter konstruksie-doorsnede nodig. Die vergroting van die doorsnede verhoog die voor-bog I²t waarde, wat lei tot vertragte operasie tydens kortsluitings. Hierdie vertraging laat die werklike kortsluitstroom styg, wat uiteindelik lei tot skakelfout.
II. Oplossing: Kern Tegnologiese Deurbraaks en Innovatiewe Ontwerp
2.1 Werkprinsip
Hierdie oplossing gebruik 'n bog aktiveerder as die kern sensore en aktiveer eenheid. Sy struktuur bestaan hoofsaaklik uit twee koperplaatjies, 'n interne silwer veiser-element (met spesifiek ontwerpde konstruksies), vulmateriaal, en 'n omhulsel. Die skakelproses is as volg:
- Bogging: Wanneer 'n kortsluitstroom voorkom, smelt die veiser-element-konstruksie vinnig en bogg, wat 'n begin bogspanning genereer.
- Aktivering: Hierdie bogspanning ontsteek vinnig die parallelverbonden ontploffende skakelaar (elektriese detonator).
- Stroomkommutering: Die skakelaar ontplof, vorm 'n hoë weerstandspad, en dwing die kortsluitstroom om na die parallel bog-dowende veiser tak te kommuteer.
- Skakeling: Die bog-dowende veiser bogg, genereer 'n uitermate hoë bogspanning wat die stroom na nul dwing, wat vinnige stroombeperkings-skakeling bewerkstellig.
2.2 Kern Innovasie: Hoë Konstruksie Stroomdigtheid Ontwerp
Die aktiveerstroomwaarde (I₁) is 'n sleutelparameter wat die sukses van skakeling bepaal, en moet binne die optimale reeks van 8-15kA bly. Vir bog-geaktiveerde ontwerpe is die aangewe stroom sterk gekorreleer met die aktiveerstroom.
Die kern deurbraak van hierdie oplossing lê in die beduidende verhoging van die konstruksie stroomdigtheid. Deur teoretiese afleiding:
• Aktiveerstroomwaarde I₁ ∝ (voor-bog I²t * di/dt)^(1/3)
• Voor-bog I²t waarde ∝ (konstruksie-doorsnede (S))²
Gevolgtrekking: Onder dieselfde aangewe stroom en kortsluitingstoestande, vereis 'n hoër konstruksie stroomdigtheid 'n kleiner konstruksie-doorsnede (S), wat lei tot 'n verlaagde voor-bog I²t waarde. Dit verseker vinnige operasie selfs onder uitermate hoë kortsluitstrome, wat betroubare skakeling moontlik maak. Die doel van hierdie oplossing is om hierdie maatstaf van die huidige produkvlak van ~1000 A/mm² na meer as 3000 A/mm² te verhef.
2.3 Strukturele Optimering en Simulasieverifikasie
• Simulasie Hulpmiddel: ANSYS 11.0 sagteware is gebruik vir parametriese modellering gebaseer op APDL taal, wat presiese berekening van veiser-element-weerstand en simulasie van die voor-bog proses moontlik maak.
• Veiser-Element Struktuur Seleksie: Die tradisionele sirkelvormige gatontwerp is verwerp ten gunste van 'n reghoekige gatstruktuur. Hierdie struktuur maksimaliseer die stroomdra-aandeel in nie-konstruksie areas, wat lagere weerstand en hoër stroomdra-vermoë binne dieselfde volume bewerkstellig, en los die konflik tussen stroomdra-vermoë en spoed perfek op.
• Parameter Optimering: Kernaanduidings soos konstruksie-breedte (b), gat-breedte (c), afstand (d), en dikte (h) is deur multi-dimensionele simulasies geoptimeer. Die optimale oplossing vir geminimiseerde weerstand is gesoek terwyl vervaardigingshaalbaarheid (bv. vermyding van element breek of vervorming) verseker is.
Optimeringsresultaat: Die finale ontwerp het 'n veiser-element-weerstand van 15.2 μΩ en 'n konstruksie-doorsnede van 0.6 mm² bereik, wat perfek aan die vereistes vir 'n 40 kA skakelvermoë voldoen.
III. Prestasieverifikasie en Toetsresultate
3.1 Temperatuurstyg Toets
• Toetsvoorwaardes: 2000 A AC stroom toegepas vir stabiele kontinue operasie.
• Toetsresultate:
o Die gemeet kouweerstand was 15.0 μΩ, hoog consistent met die simulasiewaarde (15.2 μΩ), wat die akkuraatheid van die model valideer.
o Temperatuurstyginge by kernaanduidings het standaarde voldoen (85 K by die konstruksie, ongeveer 47 K by die uiteinde).
o Die stroomdra-vermoë het 'n aangewe stroom van 2000 A bevestig. Die berekende konstruksie stroomdigtheid het 3300 A/mm² bereik, ver oor soortgelyke inheemse en internasionale produkte.
3.2 Kortsluiting Aktiveer Toets
• Toetsvoorwaardes: 'n Gesimuleerde skakeling is ingestel om 'n voorgestelde simmetriese kortsluitstroom van 40 kA te genereer.
• Toetsresultate:
o Die gemeet aktiveerstroomwaarde was 15.1 kA, hoog consistent met die gesimuleerde voorspelde waarde (15 kA) en binne die optimale reeks van 8-15 kA.
o Die gegenereerde bogspanning het 50 V bereik, genoeg om die elektriese detonator binne microsekondes betroubaar te ontsteek, wat sy vinnige en betroubare operasie demonstreer.
IV. Gevolgtrekkings en Voordelige
Hierdie oplossing het suksesvol 'n hoëprestasiemagtige bog-geaktiveerde veiser ontwikkel. Die kern gevolgtrekkings en voordelige is as volg:
- Fundamentele Deurbraak: Deur innovatiewe reghoekige gat veiser-element-ontwerp en parameter optimering, is die inherente konflik tussen stroomdra-vermoë en operasiespoed in bog-geaktiveerde ontwerpe opgelos. Die konstruksie stroomdigtheid is verhef tot 'n industriele leidende vlak van 3300 A/mm².
- Hoë Prestasie Indikatore: Die produk is geskik vir 10 kV spanningsvlakke, met 'n aangewe stroom van 2000 A en 'n skakelvermoë van 40 kA, wat die behoeftes van hoëspanning en hoëstroom industriële toepassings bevredig.
- Hoë Betroubaarheid: Die puur meganiese bog-geaktiveerde mekanisme is passief en vereis geen regulerings nie, wat afhanklikheid van elektroniese komponente en eksterne kragsvoorsieninge elimineer. Dit bied 'n sterk anti-stooringsvermoë en betroubare operasie.
- Verifieerbare Tegnologie: Die ANSYS-gesteunde simulasie-model het hoë consistentie met gemeet resultate getoon, wat 'n doeltreffende en betroubare hulpmiddel en metodologie vir produkontwerp en optimering verskaf.
