Solució avançada de fusible activat per arc per a aplicacions d'alta tensió i alta intensitat
I. Context de Recerca i Problemes Nucleals
1.1 Context de Recerca
Amb l'expansió contínua de l'escala del sistema elèctric i la capacitat de curtcircuït en augment, es posen requisits més alts als equips de protecció limitadora de corrent de falla. Les solucions principals actuals inclouen els limitadors de corrent de falla superconductors (SFCL), els interruptors híbrids limitadors de corrent i les fusibles híbrids limitadores de corrent. D'aquestes, les fusibles híbrids limitadores de corrent han esdevingut la tria preferida del mercat degut a la seva gran maduresa tecnològica, eficiència en costos i àmplia aplicació.
No obstant això, les tecnologies existents tenen dues limitacions principals:
• Tipus Controlat Electrònicament: Depèn de components electrònics sensibles i d'un subministrament de control extern, cosa que el fa propens a malfuncionaments o fallides per avaries dels components o pèrdua de potència de control. La seva fiabilitat està condicionada per condicions externes.
• Tipus Desencadenat per Arc: Tot i que ofereix avantatges com una estructura simple, forta capacitat anti-interferència, mida compacta i baix cost, la seva corrent nominal (normalment ≤600A) i la capacitat de ruptura (normalment ≤25kA) són relativament baixes, fent difícil complir les necessitats urgents d'aplicacions industrials d'alta tensió i alta corrent (per exemple, metallurgia a gran escala, plantes químiques, centres de dades).
1.2 Contradicció Nucal
L'increment del rendiment de les fusibles desencadenades per arc es troba amb una contradicció fonamental: el compromís entre operació ràpida i capacitat de portar corrent. Per assolir una operació ràpida (valor I²t pre-arc baix), es requereix una secció transversal reduïda de la restricció de l'element de fusible. Al contrari, incrementar la capacitat de portar corrent nominal necessita una secció transversal de restricció més gran. Augmentar la secció transversal incrementa el valor I²t pre-arc, causant un retard en l'operació durant els curtcircuïts. Aquest retard permet que la corrent de curtcircuït real augmenti, finalment conduint a una fallida de ruptura.
II. Solució: Avanços Tecnològics Clau i Disseny Innovador
2.1 Principi de Funcionament
Aquesta solució utilitza un disparador d'arc com a unitat de sensorització i disparat central. La seva estructura consta principalment de dos plaques de cobre, un element de fusible d'argent intern (amb restriccions específicament dissenyades), material de reompliment i una closca. El procés de ruptura és el següent:
- Arqueig: Quan ocorre una corrent de curtcircuït, la restricció de l'element de fusible es fon ràpidament i arqueja, generant una tensió d'arc inicial.
- Disparat: Aquesta tensió d'arc encén ràpidament l'interruptor explosiu paral·lel (detonador elèctric).
- Commutació de Corrent: L'interruptor explode, formant un camí de resistència alta, forçant la corrent de curtcircuït a commutar a la branca de fusible extintor d'arc paral·lela.
- Ruptura: El fusible extintor d'arc arqueja, generant una tensió d'arc extremadament alta que força la corrent a zero, assolint una interrupció ràpida i limitadora de corrent.
2.2 Innovació Nucal: Disseny de Densitat de Corrent Alta en la Restricció
El valor de corrent de disparat (I₁) és un paràmetre clau que determina l'èxit de la ruptura, necessitant estar dins l'interval òptim de 8-15kA. Per als dissenys desencadenats per arc, la corrent nominal està fortement correlacionada amb la corrent de disparat.
L'avanç clau d'aquesta solució resideix en incrementar significativament la densitat de corrent en la restricció. A través de la derivació teòrica:
• Valor de corrent de disparat I₁ ∝ (valor I²t pre-arc * di/dt)^(1/3)
• Valor I²t pre-arc ∝ (secció transversal de la restricció (S))²
Conclusió: Sota les mateixes condicions de corrent nominal i curtcircuït, una densitat de corrent més alta en la restricció requereix una secció transversal de restricció (S) més petita, reduint així el valor I²t pre-arc. Això assegura una operació ràpida fins i tot sota corrents de curtcircuït extremadament altes, permetent una ruptura fiable. L'objectiu de disseny d'aquesta solució és elevar aquest indicador des del nivell actual del producte de ~1000 A/mm² a més de 3000 A/mm².
2.3 Optimització Estructural i Verificació per Simulació
• Eina de Simulació: Es va utilitzar el programari ANSYS 11.0 per a modelització paramètrica basada en llenguatge APDL, permetent un càlcul precís de la resistència de l'element de fusible i la simulació del procés pre-arc.
• Selecció de l'Estructura de l'Element de Fusible: Es va abandonar el disseny tradicional de forat circular en favor d'una estructura de forat rectangular. Aquesta estructura maximitza la part de la corrent portada en regions no restrictives, assolint una resistència més baixa i una major capacitat de portar corrent dins del mateix volum, resolent perfectament la contradicció entre la capacitat de portar corrent i la velocitat.
• Optimització de Paràmetres: Es van optimitzar paràmetres clau com l'amplada de la restricció (b), l'amplada del forat (c), l'espaiat (d) i l'espessor (h) a través de simulacions multidimensionals. Es va buscar la solució òptima per minimitzar la resistència mentre es garantia la viabilitat de fabricació (per exemple, evitant la ruptura o deformació de l'element).
Resultat de l'optimització: El disseny final assolí una resistència de l'element de fusible de 15.2 μΩ i una secció transversal de la restricció de 0.6 mm², compleixent perfectament els requisits per a una capacitat de ruptura de 40 kA.
III. Verificació de Rendiment i Resultats de Proves
3.1 Prova de Creixement de Temperatura
• Condicions de Prova: S'aplicà una corrent AC de 2000 A per a una operació contínua estable.
• Resultats de Prova:
o La resistència a fred mesurada va ser de 15.0 μΩ, altament consistent amb el valor de simulació (15.2 μΩ), validant la precisió del model.
o El creixement de temperatura en les parts clau va complir els estàndards (85 K a la restricció, aproximadament 47 K a les terminals).
o La capacitat de portar corrent confirmà una corrent nominal de 2000 A. La densitat de corrent en la restricció calculada va assolir 3300 A/mm², molt superior a productes similars nacionals i internacionals.
3.2 Prova de Disparat de Curtcircuït
• Condicions de Prova: Es va configurar un circuit simulat per generar una corrent de curtcircuït simètrica esperada de 40 kA.
• Resultats de Prova:
o El valor de corrent de disparat mesurat va ser de 15.1 kA, altament consistent amb el valor predit per simulació (15 kA) i dins l'interval òptim de 8-15 kA.
o La tensió d'arc generada va arribar a 50 V, suficient per encendre el detonador elèctric de manera fiable en microsegons, demostrant la seva operació ràpida i fiable.
IV. Conclusió i Avantatges
Aquesta solució va desenvolupar amb èxit una fusible desencadenada per arc de rendiment elevat. Les conclusions i avantatges principals són els següents:
- Avanç Fundacional: A través d'un disseny innovador de l'element de fusible amb forats rectangulars i l'optimització de paràmetres, es va resoldre la contradicció inherent entre la capacitat de portar corrent i la velocitat d'operació en els disparadors d'arc. La densitat de corrent en la restricció va ser elevada a un nivell líder a l'indústria de 3300 A/mm².
- Indicadors de Rendiment Elevat: El producte és adequat per a nivells de tensió de 10 kV, assolint una corrent nominal de 2000 A i una capacitat de ruptura de 40 kA, complint les necessitats d'aplicacions industrials d'alta tensió i alta corrent.
- Alta Fiabilitat: El mecanisme de disparat d'arc purament mecànic és passiu i no requereix control, eliminant la dependència de components electrònics i subministraments de potència externs. Ofereix una forta capacitat anti-interferència i operació fiable.
- Tecnologia Verificable: El model de simulació basat en ANSYS va mostrar una alta consistència amb els resultats mesurats, proporcionant una eina i metodologia eficients i fiables per al disseny i optimització del producte.
