উন্নত আর্ক-ট্রিগারকৃত ফিউজ সমাধান উচ্চ-ভোল্টেজ এবং উচ্চ-বিদ্যুৎপ্রবাহের প্রয়োগের জন্য
I. গবেষণার পটভূমি এবং মূল বিষয়গুলি
1.1 গবেষণার পটভূমি
শক্তি সিস্টেমের আকার এবং শর্ট-সার্কিট ধারণ ক্ষমতার বৃদ্ধির সাথে সাথে ফলে দোষ সীমিতকরণ সুরক্ষা উপকরণের উপর উচ্চতর দাবি হচ্ছে। বর্তমান প্রধান সমাধানগুলি হল অতিচালক দোষ সীমিতকরণ (SFCL), মিশ্র সীমিতকরণ সার্কিট ব্রেকার, এবং মিশ্র সীমিতকরণ ফিউজ। এই মধ্যে, মিশ্র সীমিতকরণ ফিউজ তাদের উচ্চ প্রযুক্তিগত পরিপক্বতা, খরচ দক্ষতা, এবং ব্যাপক ব্যবহারের কারণে বাজারের পছন্দের পছন্দের হয়েছে।
তবে, বিদ্যমান প্রযুক্তিগুলি দুটি প্রধান সীমাবদ্ধতা রয়েছে:
• ইলেকট্রনিক নিয়ন্ত্রিত ধরন: সংবেদনশীল ইলেকট্রনিক উপাদান এবং বাহ্যিক নিয়ন্ত্রণ শক্তির উপর নির্ভরশীল, যা উপাদানের ব্যর্থতা বা নিয়ন্ত্রণ শক্তির হারানোর কারণে মালফাংশন বা ব্যর্থতার ঝুঁকিতে রয়েছে। এর নির্ভরযোগ্যতা বাহ্যিক শর্তগুলির উপর নির্ভরশীল।
• আর্ক-ট্রিগার ধরন: এর সহজ গঠন, শক্ত বিরোধী-বাধা ক্ষমতা, ছোট আকার, এবং কম খরচের মতো সুবিধাগুলি থাকলেও, এর নির্ধারিত বিদ্যুৎ প্রবাহ (সাধারণত ≤600A) এবং ভেঙ্গে দেওয়ার ক্ষমতা (সাধারণত ≤25kA) সাপেক্ষভাবে কম, যা উচ্চ-ভোল্টেজ এবং উচ্চ-বিদ্যুৎ শিল্প প্রয়োগের (উদাহরণস্বরূপ, বড় মাপের ধাতুবিদ্যা, রাসায়নিক কারখানা, ডাটা সেন্টার) আপত্তিক দাবিগুলি পূরণ করতে কঠিন হয়।
1.2 মূল বিরোধ
আর্ক-ট্রিগার ফিউজের পারফরম্যান্স উন্নতি একটি মৌলিক বিরোধের সম্মুখীন হয়: দ্রুত পরিচালনা এবং বিদ্যুৎ প্রবাহের ক্ষমতা এর মধ্যে বিনিময়। দ্রুত পরিচালনা অর্জনের জন্য (কম প্রাথমিক-আর্ক I²t মান) ফিউজ উপাদানের সঙ্কোচনের ছোট অংশের ক্ষেত্রফল প্রয়োজন। বিপরীতে, নির্ধারিত বিদ্যুৎ প্রবাহের ক্ষমতা বৃদ্ধির জন্য বড় সঙ্কোচন ক্ষেত্রফল প্রয়োজন। ক্ষেত্রফল বৃদ্ধি করলে প্রাথমিক-আর্ক I²t মান বৃদ্ধি পায়, যা শর্ট-সার্কিটের সময় দেরি পরিচালনার কারণ হয়। এই দেরি প্রকৃত শর্ট-সার্কিট বিদ্যুৎ প্রবাহ বৃদ্ধি করে, শেষমেশ ভেঙ্গে দেওয়ার ব্যর্থতার দিকে পরিচালিত করে।
II. সমাধান: মূল প্রযুক্তিগত প্রবর্তন এবং উদ্ভাবনমূলক ডিজাইন
2.1 কাজের নীতি
এই সমাধান আর্ক ট্রিগারকে মূল সেন্সিং এবং ট্রিগারিং ইউনিট হিসাবে ব্যবহার করে। এর গঠন প্রধানত দুটি তামা প্লেট, একটি অভ্যন্তরীণ রূপার ফিউজ উপাদান (নির্দিষ্টভাবে ডিজাইনকৃত সঙ্কোচনসহ), পূরক উপাদান, এবং একটি আবরণ দ্বারা গঠিত। ভেঙ্গে দেওয়ার প্রক্রিয়াটি নিম্নলিখিত:
- আর্কিং: যখন শর্ট-সার্কিট বিদ্যুৎ প্রবাহ ঘটে, ফিউজ উপাদানের সঙ্কোচন দ্রুত গলে যায় এবং আর্ক তৈরি করে, যা একটি প্রাথমিক আর্ক ভোল্টেজ উৎপাদন করে।
- ট্রিগারিং: এই আর্ক ভোল্টেজ দ্রুত সমান্তরাল-সংযুক্ত বিস্ফোরক বিচ্ছিন্নকারী (ইলেকট্রিক ডিটোনেটর) জ্বালায়।
- বিদ্যুৎ প্রবাহ পরিবর্তন: বিচ্ছিন্নকারী বিস্ফোরিত হয়, একটি উচ্চ-রোধ পথ তৈরি করে, যা শর্ট-সার্কিট বিদ্যুৎ প্রবাহকে সমান্তরাল আর্ক-নির্মূল ফিউজ শাখায় পরিবর্তন করে দেয়।
- ভেঙ্গে দেওয়া: আর্ক-নির্মূল ফিউজ আর্ক তৈরি করে, যা একটি অত্যন্ত উচ্চ আর্ক ভোল্টেজ উৎপাদন করে যা বিদ্যুৎ প্রবাহকে শূন্য করে, দ্রুত সীমিতকরণ বিচ্ছিন্নকরণ অর্জন করে।
2.2 মূল উদ্ভাবন: উচ্চ সঙ্কোচন বিদ্যুৎ প্রবাহ ঘনত্ব ডিজাইন
ট্রিগার বিদ্যুৎ প্রবাহ মান (I₁) ভেঙ্গে দেওয়ার সফলতা নির্ধারণকারী একটি মূল প্যারামিটার, যা 8-15kA-এর অপটিমাল পরিসরে থাকা প্রয়োজন। আর্ক-ট্রিগার ডিজাইনের জন্য, নির্ধারিত বিদ্যুৎ প্রবাহ ট্রিগার বিদ্যুৎ প্রবাহের সাথে দৃঢ়ভাবে সম্পর্কিত।
এই সমাধানের মূল প্রবর্তন হল সঙ্কোচন বিদ্যুৎ প্রবাহ ঘনত্ব দ্রুত বৃদ্ধি করা। তাত্ত্বিক অনুসিদ্ধান্ত দ্বারা:
• ট্রিগার বিদ্যুৎ প্রবাহ মান I₁ ∝ (প্রাথমিক-আর্ক I²t * di/dt)^(1/3)
• প্রাথমিক-আর্ক I²t মান ∝ (সঙ্কোচন ক্ষেত্রফল (S))²
সিদ্ধান্ত: একই নির্ধারিত বিদ্যুৎ প্রবাহ এবং শর্ট-সার্কিট শর্তে, উচ্চ সঙ্কোচন বিদ্যুৎ প্রবাহ ঘনত্ব ছোট সঙ্কোচন ক্ষেত্রফল (S) প্রয়োজন, যা প্রাথমিক-আর্ক I²t মান কমায়। এটি এমনকি অত্যন্ত উচ্চ শর্ট-সার্কিট বিদ্যুৎ প্রবাহের সময়ও দ্রুত পরিচালনা নিশ্চিত করে, নির্ভরযোগ্য ভেঙ্গে দেওয়া অর্জন করে। এই সমাধানের ডিজাইন লক্ষ্য হল এই মেট্রিকটিকে বর্তমান পণ্য স্তর ~1000 A/mm² থেকে 3000 A/mm² এর উপর উন্নীত করা।
2.3 গঠনগত উন্নতি এবং সিমুলেশন যাচাই
• সিমুলেশন টুল: ANSYS 11.0 সফটওয়্যার ব্যবহার করে APDL ভাষার উপর ভিত্তি করে প্যারামেট্রিক মডেলিং করা হয়েছে, যা ফিউজ উপাদানের রোধ এবং প্রাথমিক-আর্ক প্রক্রিয়ার সিমুলেশন নির্ভুলভাবে গণনা করতে সক্ষম করে।
• ফিউজ উপাদান গঠন নির্বাচন: ঐতিহ্যগত বৃত্তাকার ছিদ্র ডিজাইন পরিত্যাক্ত করে আয়তক্ষেত্রাকার ছিদ্র গঠন গ্রহণ করা হয়েছে। এই গঠন একই আয়তনে অ-সঙ্কোচন অঞ্চলে বিদ্যুৎ প্রবাহের শেয়ার সর্বোচ্চ করে, নিম্ন রোধ এবং উচ্চ বিদ্যুৎ প্রবাহের ক্ষমতা অর্জন করে, বিদ্যুৎ প্রবাহের ক্ষমতা এবং গতির মধ্যে বিরোধ সমাধান করে।
• প্যারামিটার উন্নতি: সঙ্কোচন প্রস্থ (b), ছিদ্র প্রস্থ (c), দূরত্ব (d), এবং বেধ (h) এর মতো মূল প্যারামিটারগুলি বহুমাত্রিক সিমুলেশন দ্বারা উন্নত করা হয়েছে। ন্যূনতম রোধের জন্য অপটিমাল সমাধান খুঁজা হয়েছে যা উৎপাদন সম্ভব করে (উদাহরণস্বরূপ, উপাদানের ভাঙ্গা বা বিকৃতি এড়ানো)।
উন্নতির ফলাফল: চূড়ান্ত ডিজাইন 15.2 μΩ ফিউজ উপাদান রোধ এবং 0.6 mm² সঙ্কোচন ক্ষেত্রফল অর্জন করেছে, 40 kA ভেঙ্গে দেওয়ার ক্ষমতার প্রয়োজনীয়তা পূরণ করে।
III. পারফরম্যান্স যাচাই এবং পরীক্ষার ফলাফল
3.1 তাপমাত্রা বৃদ্ধি পরীক্ষা
• পরীক্ষার শর্তাবলী: 2000 A AC বিদ্যুৎ প্রবাহ প্রয়োগ করে স্থিতিশীল অবিচ্ছিন্ন পরিচালনা করা হয়েছে।
• পরীক্ষার ফলাফল:
o মাপা ঠাণ্ডা রোধ 15.0 μΩ ছিল, যা সিমুলেশন মান (15.2 μΩ) সঙ্গতিপূর্ণ, মডেলের সুনিশ্চিত করে।
o গুরুত্বপূর্ণ অংশে তাপমাত্রা বৃদ্ধি মানদণ্ড মেনেছে (সঙ্কোচনে 85 K, টার্মিনালে প্রায় 47 K)।
o বিদ্যুৎ প্রবাহের ক্ষমতা 2000 A নির্ধারিত বিদ্যুৎ প্রবাহ নিশ্চিত করেছে। গণনা করা সঙ্কোচন বিদ্যুৎ প্রবাহ ঘনত্ব 3300 A/mm² পৌঁছেছে, যা অনুরূপ দেশীয় এবং আন্তর্জাতিক পণ্যগুলির চেয়ে বেশি।
3.2 শর্ট-সার্কিট ট্রিগার পরীক্ষা
• পরীক্ষার শর্তাবলী: একটি সিমুলেটেড সার্কিট সেট করা হয়েছে 40 kA প্রাকাশিত সুষম শর্ট-সার্কিট বিদ্যুৎ প্রবাহ তৈরি করার জন্য।
• পরীক্ষার ফলাফল:
o মাপা ট্রিগার বিদ্যুৎ প্রবাহ মান 15.1 kA ছিল, যা সিমুলেশন পূর্বাভাসিত মান (15 kA) এবং 8-15 kA-এর অপটিমাল পরিসরের সঙ্গতিপূর্ণ।
o উৎপাদিত আর্ক ভোল্টেজ 50 V পৌঁছেছে, যা মাইক্রোসেকেন্ডের মধ্যে ইলেকট্রিক ডিটোনেটরকে নির্ভরযোগ্যভাবে জ্বালাতে যথেষ্ট, যা তার দ্রুত এবং নির্ভরযোগ্য পরিচালনা দেখায়।
IV. সিদ্ধান্ত এবং সুবিধাগুলি
এই সমাধান একটি উচ্চ-পারফরম্যান্স আর্ক-ট্রিগার ফিউজ সফলভাবে উন্নয়ন করেছে। মূল সিদ্ধান্ত এবং সুবিধাগুলি নিম্নলিখিত:
- মৌলিক প্রবর্তন: উদ্ভাবনমূলক আয়তক্ষেত্রাকার ছিদ্র ফিউজ উপাদান ডিজাইন এবং প্যারামিটার উন্নতির মাধ্যমে, আর্ক-ট্রিগারে বিদ্যুৎ প্রবাহের ক্ষমতা এবং পরিচালনা গতির মধ্যে মৌলিক বিরোধ সমাধান করা হয়েছে। সঙ্কোচন বিদ্যুৎ প্রবাহ ঘনত্ব 3300 A/mm² পর্যন্ত উন্নীত হয়েছে, যা শিল্পের শীর্ষস্থানীয় হয়েছে।
- উচ্চ পারফরম্যান্স সূচক: পণ্যটি 10 kV ভোল্টেজ স্তরের জন্য উপযুক্ত, 2000 A নির্ধারিত বিদ্যুৎ প্রবাহ এবং 40 kA ভেঙ্গে দেওয়ার ক্ষমতা অর্জন করে, উচ্চ-ভোল্টেজ এবং উচ্চ-বিদ্যুৎ শিল্প প্রয়োগের (উদাহরণস্বরূপ, বড় মাপের ধাতুবিদ্যা, রাসায়নিক কারখানা, ডাটা সেন্টার) দাবিগুলি পূরণ করে।
- উচ্চ নির্ভরযোগ্যতা: শুধুমাত্র যান্ত্রিক আর্ক-ট্রিগার মেকানিজম নিষ্ক্রিয় এবং নিয়ন্ত্রণ প্রয়োজন হয় না, ইলেকট্রনিক উপাদান এবং বাহ্যিক শক্তির উপর নির্ভরশীলতা বাতিল করে। এটি শক্ত বিরোধী-বাধা ক্ষমতা এবং নির্ভরযোগ্য পরিচালনা প্রদান করে।
- প্রযুক্তি যাচাইযোগ্য: ANSYS-ভিত্তিক সিমুলেশন মডেল মাপা ফলাফলের সঙ্গে উচ্চ সঙ্গতি দেখায়, পণ্য ডিজাইন এবং উন্নতির জন্য একটি দক্ষ এবং নির্ভরযোগ্য টুল এবং পদ্ধতি প্রদান করে।
