Решение с напредък фузе, активирани от дъга, за приложения с високо налягане и висок ток
I. Изследователски фон и основни проблеми
1.1 Изследователски фон
С растящата мащабност на електроенергийните системи и увеличаващата се капацитет за краткосрочни замыкания, възникват по-високи изисквания към оборудването за ограничаване на тока при аварии. Съществуващи основни решения включват свръхпроводящи ограничители на тока (SFCL), хибридни прекъсвители на тока и хибридни предпазни пръстени. Сред тях, хибридните предпазни пръстени са станали предпочитан избор на пазара поради високата техническа зрелост, стойността им за парите и широкото им приложение.
Обачно, съществуващите технологии имат две основни ограничения:
• Електронно управляем тип: Зависи от чувствителни електронни компоненти и външен контролен източник на напрежение, което го прави подвержен на дефект или неуспех поради повреда на компонента или загуба на контролния източник. Неговата надеждност е ограничена от външни условия.
• Тип, активиран от дъга: Въпреки че предлага предимства като проста конструкция, силна устойчивост към външни влияния, компактен размер и ниска цена, неговият номинален ток (обикновено ≤600A) и капацитет за прекъсване (обикновено ≤25kA) са относително ниски, което го прави трудно да удовлетвори спешните нужди на индустриалните приложения с високо напрежение и висок ток (например, големи металургически заводи, химически заводи, центрове за данни).
1.2 Основен противоречие
Подобряването на производителността на предпазните пръстени, активирани от дъга, се сблъсква с фундаментално противоречие: баланс между бързо действие и капацитет за провеждане на ток. За да се постигне бързо действие (низка предварителна стойност I²t), е необходима малка площ на сечение на ограничителя. От друга страна, увеличаването на номиналния капацитет за провеждане на ток изисква по-голяма площ на сечение. Увеличаването на площта на сечение увеличава предварителната стойност I²t, което води до забавяне при краткосрочни замыкания. Това забавяне позволява реалния краткосрочен ток да нараства, което в крайна сметка води до неуспех при прекъсването.
II. Решение: Ключови технологични прориви и иновативен дизайн
2.1 Принцип на действие
Това решение използва активатор, задействан от дъга, като основен сензорен и активиращ модул. Неговата конструкция се състои главно от две медни плочки, вътрешен сребърен предпазен пръстен (с конкретно проектирани ограничители), напълнителен материал и корпус. Процесът на прекъсване е следния:
- Дъга: При възникване на краткосрочен ток, ограничителят на предпазния пръстен бързо се топи и образува дъга, генерирайки начално напрежение на дъга.
- Активация: Това напрежение на дъга бързо запалва паралелно свързан прекъсвител (електричен детонатор).
- Превключване на тока: Прекъсвителят експлодира, формирайки път с висок съпротивление, принуждавайки краткосрочния ток да превключи към паралелната гасеща дъга на предпазния пръстен.
- Прекъсване: Гасещият предпазен пръстен генерира дъга, която произвежда изключително високо напрежение на дъга, принуждавайки тока да стане нула, постигайки бързо ограничаване на тока.
2.2 Основна иновация: Дизайн с висока плътност на тока в ограничителя
Стойността на активационния ток (I₁) е ключов параметър, определящ успеха на прекъсването, който трябва да остане в оптималния диапазон 8-15kA. За дизайна, активиран от дъга, номиналният ток е силно корелиран с активационния ток.
Основният прорив на това решение е значително увеличаването на плътността на тока в ограничителя. Чрез теоретично извеждане:
• Активационна стойност на тока I₁ ∝ (предварителна стойност I²t * di/dt)^(1/3)
• Предварителна стойност I²t ∝ (площ на сечение на ограничителя (S))²
Заключение: При един и същ номинален ток и условия на краткосрочно замыкание, по-висока плътност на тока в ограничителя изисква по-малка площ на сечение (S), което намалява предварителната стойност I²t. Това осигурява бързо действие дори при екстремно високи краткосрочни токове, осигурявайки надеждно прекъсване. Целта на това решение е да повиши този показател от настоящия продуктов уровень от ~1000 A/mm² до над 3000 A/mm².
2.3 Оптимизация на конструкцията и верификация чрез симулация
• Инструмент за симулация: Използван е софтуера ANSYS 11.0 за параметрично моделиране, базирано на APDL език, позволяващ точни изчисления на съпротивлението на предпазния пръстен и симулация на процеса на предварителна дъга.
• Избор на конструкцията на предпазния пръстен: Бил е отхвърлен традиционният дизайн с кръгли отвори в полза на правоъгълен отвор. Тази конструкция максимизира дяла на провеждащия ток в области, различни от ограничителя, постигайки по-ниско съпротивление и по-висок капацитет за провеждане на ток в същия обем, перфектно решавайки противоречието между капацитет за провеждане на ток и скорост.
• Оптимизация на параметрите: Ключови параметри като ширина на ограничителя (b), ширина на отвора (c), разстояние (d) и дебелина (h) са оптимизирани чрез многомерни симулации. Търсено е оптималното решение за минимизиране на съпротивлението, докато се гарантира производствена възможност (например, избягване на повреда или деформация на елемента).
Резултат от оптимизацията: Финалният дизайн постига съпротивление на предпазния пръстен от 15.2 μΩ и площ на сечение на ограничителя от 0.6 mm², перфектно отговарящ на изискванията за капацитет за прекъсване от 40 kA.
III. Верификация на производителността и резултати от тестовете
3.1 Тест за температурно повишаване
• Условия на теста: Приложено е 2000 A AC ток за стабилна непрекъсната работа.
• Резултати от теста:
o Измереното студено съпротивление е 15.0 μΩ, високо съвпадащо със симулираната стойност (15.2 μΩ), потвърждавайки точността на модела.
o Температурните повишавания в ключови части съответстват на стандарти (85 K в ограничителя, около 47 K в контактите).
o Капацитетът за провеждане на ток потвърждава номинален ток от 2000 A. Изчислената плътност на тока в ограничителя достига 3300 A/mm², далеч надхвърляйки подобни домашни и международни продукти.
3.2 Тест за активация при краткосрочно замыкание
• Условия на теста: Била е построена симулирана схема, генерираща предвиден симетричен краткосрочен ток от 40 kA.
• Резултати от теста:
o Измерената стойност на активационния ток е 15.1 kA, високо съвпадаща с предсказаната симулирана стойност (15 kA) и в рамките на оптималния диапазон 8-15 kA.
o Генерираното напрежение на дъга достига 50 V, достатъчно за надеждно запалване на електрическия детонатор в микросекунди, демонстрирайки бързо и надеждно действие.
IV. Заключение и предимства
Това решение успешно разработи високоперформантен предпазен пръстен, активиран от дъга. Основните заключения и предимства са следните:
- Фундаментален прорив: Чрез иновативен дизайн на предпазен пръстен с правоъгълен отвор и оптимизация на параметрите, било е решено вграденото противоречие между капацитет за провеждане на ток и скорост на действие в активаторите, активирани от дъга. Плътността на тока в ограничителя била е повишила до лидерстващ за индустрията ниво от 3300 A/mm².
- Високи показатели на производителност: Продуктът е подходящ за ниво на напрежение 10 kV, постига номинален ток от 2000 A и капацитет за прекъсване от 40 kA, удовлетворявайки нуждите на индустриалните приложения с високо напрежение и висок ток.
- Висока надеждност: Чисто механичният механизъм за активация, активиран от дъга, е пасивен и не изисква контрол, елиминирайки зависимостта от електронни компоненти и външен източник на напрежение. Предлага силна устойчивост към външни влияния и надеждно действие.
- Проверяема технология: Моделът за симулация, базиран на ANSYS, показва висока съвместимост с измерените резултати, предлагайки ефективен и надежден инструмент и методология за дизайн и оптимизация на продукта.
