Pokročilé řešení s čidlem vyhovujícím pro vysoké napětí a vysoké proudy
I. Výzkumné základy a klíčové problémy
1.1 Výzkumné základy
S neustálým rozšiřováním měřítka elektrických systémů a rostoucí kapacitou krátkozavěru jsou kladené vyšší požadavky na ochranné zařízení pro omezování chybového proudu. Mezi stávající hlavní řešení patří superkonduktivní omezovače chybového proudu (SFCL), hybridní omezovací vypínače a hybridní omezovací pojistky. Z těchto se hybridní omezovací pojistky staly preferovanou volbou trhu díky své vysoké technologické zralosti, cenové dostupnosti a širokému použití.
Naproti tomu stávající technologie mají dvě hlavní omezení:
• Elektronicky řízený typ: Spoléhá na citlivé elektronické komponenty a externí zdroj řídicí energie, což jej činí náchylným k poruchám nebo selhání kvůli selhání komponenty nebo ztrátě řídicí energie. Jeho spolehlivost je omezena externími podmínkami.
• Pojezdný typ: I když nabízí výhody jako jednoduchá konstrukce, silná odolnost proti rušivým vlivům, kompaktní rozměry a nízké náklady, jeho nominální proud (obvykle ≤600A) a přerušovací kapacita (obvykle ≤25kA) jsou relativně nízké, což ztěžuje splnění naléhavých požadavků vysokonapěťových a vysokoproudových průmyslových aplikací (např. velkéměrné hutnictví, chemické továrny, data centra).
1.2 Klíčový rozpor
Zlepšení výkonu pojistek s pojezdovým spouštěčem čelí základnímu rozporu: kompromis mezi rychlým fungováním a nosností proudu. Pro dosažení rychlého fungování (nízká hodnota I²t před pojezdem) je potřeba malého průřezu úžiny pojistného elementu. Naopak, zvýšení nominální nosnosti proudu vyžaduje větší průřez úžiny. Zvětšení průřezu zvyšuje hodnotu I²t před pojezdem, což způsobuje zpožděné fungování během krátkého zapojení. Toto zpoždění umožňuje skutečnému krátkozavěrovému proudu vzrůst, což nakonec vede k selhání přerušení.
II. Řešení: Klíčové technologické průlomy a inovativní návrhy
2.1 Principe fungování
Toto řešení využívá pojezdový spouštěč jako jádrového senzorového a spouštěcího prvku. Jeho struktura se skládá ze dvou měděných desek, interního stříbrného pojistného elementu (s speciálně navrženými úžinami), plniva a obalu. Proces přerušení probíhá následovně:
- Pojezd: Když dojde k krátkozavěru, úžina pojistného elementu rychle taje a pojezd, generující počáteční napětí pojezdu.
- Spouštění: Tohoto napětí pojezdu rychle zapaluje paralelně připojený explozivní přerušovač (elektrický detonátor).
- Přepínání proudu: Přerušovač exploduje, vytvářející cestu s vysokým odporem, která nutí krátkozavěrový proud přepínat na paralelní větev pro uhasení pojezdu.
- Přerušení: Pojezd uhašení pojistky generuje extrémně vysoké napětí pojezdu, které nuceně přivede proud k nule, dosahující rychlého omezovacího přerušení.
2.2 Klíčová inovace: Návrh s vysokou hustotou proudu v úžině
Hodnota spouštěcího proudu (I₁) je klíčový parametr určující úspěch přerušení, který musí zůstat v optimálním rozmezí 8-15kA. U návrhů s pojezdovým spouštěčem je nominální proud silně spojen s spouštěcím proudem.
Klíčovým průlomem tohoto řešení je výrazné zvýšení hustoty proudu v úžině. Teoretickým odvozením:
• Hodnota spouštěcího proudu I₁ ∝ (hodnota I²t před pojezdem * di/dt)^(1/3)
• Hodnota I²t před pojezdem ∝ (průřez úžiny (S))²
Závěr: Pod stejnými podmínkami nominálního proudu a krátkého zapojení vyšší hustota proudu v úžině vyžaduje menší průřez úžiny (S), což snižuje hodnotu I²t před pojezdem. To zajišťuje rychlé fungování i při extrémně vysokých proudech krátkého zapojení, umožňující spolehlivé přerušení. Cílem tohoto řešení je zvýšit tento ukazatel z současné úrovně produktu ~1000 A/mm² na více než 3000 A/mm².
2.3 Optimalizace struktury a simulační ověření
• Simulační nástroj: Pro parametrické modelování bylo použito software ANSYS 11.0 založený na jazyku APDL, umožňující přesné výpočty odpornosti pojistného elementu a simulaci procesu před pojezdem.
• Výběr struktury pojistného elementu: Byl opuštěn tradiční návrh s kulatými otvory ve prospěch obdélníkového otvoru. Tato struktura maximalizuje podíl proudu v oblastech mimo úžinu, dosahující nižší odpornosti a vyšší nosnosti proudu v rámci stejného objemu, dokonale řeší rozpor mezi nosností proudu a rychlostí.
• Optimalizace parametrů: Klíčové parametry jako šířka úžiny (b), šířka otvoru (c), vzdálenost (d) a tloušťka (h) byly optimalizovány prostřednictvím multi-dimenzionálních simulací. Hledalo se optimální řešení s minimalizovanou odporností, zajišťující možnost výroby (např. zabránění zlomení nebo deformaci elementu).
Výsledek optimalizace: Finální návrh dosáhl odpornosti pojistného elementu 15.2 μΩ a průřezu úžiny 0.6 mm², dokonale splňující požadavky na přerušovací kapacitu 40 kA.
III. Ověření výkonu a výsledky testů
3.1 Test teplotního nárůstu
• Podmínky testu: Byl použit stabilní nepřetržitý proud 2000 A AC.
• Výsledky testu:
o Naměřená studená odpornost byla 15.0 μΩ, což je vysoká shoda s simulovanou hodnotou (15.2 μΩ), potvrzující přesnost modelu.
o Teplotní nárůsty v klíčových částech splňovaly normy (85 K v úžině, přibližně 47 K na konecích).
o Nosnost proudu potvrdila nominální proud 2000 A. Vypočtená hustota proudu v úžině dosáhla 3300 A/mm², což je výrazně výše než u podobných domácích a zahraničních produktů.
3.2 Test spouštění při krátkém zapojení
• Podmínky testu: Byl nastaven simulovaný obvod pro generování předpokládané symetrické krátkozavěrového proudu 40 kA.
• Výsledky testu:
o Naměřená hodnota spouštěcího proudu byla 15.1 kA, což je vysoká shoda s simulovanou predikovanou hodnotou (15 kA) a leží v optimálním rozmezí 8-15 kA.
o Generované napětí pojezdu dosáhlo 50 V, což je dostatečné pro spolehlivé zapnutí elektrického detonátoru v mikrosekundách, ukazující rychlé a spolehlivé fungování.
IV. Závěr a výhody
Toto řešení úspěšně vyvinulo vysokovýkonnou pojistku s pojezdovým spouštěčem. Klíčové závěry a výhody jsou následující:
- Základní průlom: Inovativní návrh pojistného elementu s obdélníkovými otvory a optimalizace parametrů řeší vnitřní rozpor mezi nosností proudu a rychlostí fungování u pojezdových spouštěčů. Hustota proudu v úžině byla zvýšena na vedoucí úroveň v odvětví 3300 A/mm².
- Vysoké výkonné ukazatele: Produkt je vhodný pro napěťové úrovně 10 kV, dosahující nominálního proudu 2000 A a přerušovací kapacity 40 kA, splňující požadavky vysokonapěťových a vysokoproudových průmyslových aplikací.
- Vysoká spolehlivost: Čistě mechanický mechanismus spouštění pojezdu je pasivní a nevyžaduje žádnou kontrolu, eliminuje závislost na elektronických komponentách a externích zdrojích energie. Nabízí silnou odolnost proti rušivým vlivům a spolehlivé fungování.
- Ověřitelná technologie: Simulační model založený na ANSYS ukázal vysokou shodu s naměřenými výsledky, poskytující efektivní a spolehlivý nástroj a metodiku pro návrh a optimalizaci produktu.
