Avanceret bueaktivere sikringsløsning til højspændings- og højstrømsanvendelser
I. Forskningsbaggrund og kerneproblemer
1.1 Forskningsbaggrund
Med den fortsatte udvidelse af strømsystemets størrelse og den stigende kortslutningskapacitet, sættes der højere krav til udstyr til begrænsning af fejlstrøm. Eksisterende mainstream løsninger inkluderer superledende fejlstrømbegrænsere (SFCL), hybrid strømbegrænsende kredsløbsbrydere og hybrid strømbegrænsende sikringer. Af disse er hybrid strømbegrænsende sikringer blevet det foretrukne markedsvælger på grund af deres høje teknologiske modenhed, kostnadseffektivitet og bred anvendelse.
Men eksisterende teknologier har to store begrænsninger:
• Elektronisk styret type: Den afhænger af følsomme elektroniske komponenter og en ekstern kontrolstrømforsyning, hvilket gør den sårbar over for fejl eller udfald på grund af komponentfejl eller tab af kontrolstrøm. Dens pålidelighed er begrænset af eksterne forhold.
• Bueaktiveret type: Selvom den har fordele som simpel konstruktion, stærk støjimmunitet, kompakt størrelse og lav kostnad, er dens nominelle strøm (typisk ≤600A) og brydekraft (typisk ≤25kA) relativt lav, hvilket gør det svært at opfylde de akutte behov i højspændings- og højstrømsindustrielle applikationer (fx stor skala metalurgi, kemiske anlæg, datacentre).
1.2 Kernekonflikt
Forbedringen af ydeevnen af bueaktiverede sikringer står over for en fundamental konflikt: kompromiset mellem hurtig drift og strømtransportkapacitet. For at opnå hurtig drift (lav præ-arcing I²t værdi) er en lille tværsnitsareal af sikringselementets indsnævringssted nødvendig. Omvendt kræver en øgning af den nominelle strømtransportkapacitet et større tværsnitsareal. At forøge tværsnitsarealet øger præ-arcing I²t værdien, hvilket fører til forsinket drift under kortslutninger. Denne forsinkelse tillader den faktiske kortslutningsstrøm at stige, hvilket sidst ender med brydefejl.
II. Løsning: Nøgletekniske gennembrud og innovative design
2.1 Arbejdssætningsprincip
Denne løsning anvender en buetrigger som det centrale sensor- og aktiveringsenhed. Dens struktur består primært af to kobberplader, et internt sølv sikringselement (med specifikt designet indsnævringssteder), fyldematerialer og en omslutning. Brydningen processen er som følger:
- Bueudvikling: Når der opstår en kortslutningsstrøm, smelter sikringselementets indsnævringssted hurtigt og danner en bue, der genererer en initial bue-spænding.
- Aktivering: Denne bue-spænding tænder hurtigt den paralleltilsluttede eksplosive bryder (elektrisk detonator).
- Strømkommunikation: Bryderen eksploderer, danner en højmodstands vej, der tvinger kortslutningsstrømmen til at kommunikere til den parallelle bueudsluknings-sikring gren.
- Brydning: Bueudsluknings-sikringen danner en bue, der genererer en ekstremt høj bue-spænding, der tvinger strømmen til nul, og opnår hurtig strømbegrænsende brydning.
2.2 Kernenovation: Design med høj indsnævringsstrømtæthed
Aktiveringsstrømværdien (I₁) er en afgørende parameter, der bestemmer brydningens succes, og skal forblive inden for det optimale område på 8-15kA. For bueaktiverede design er den nominelle strøm stærkt korreleret med aktiveringsstrømmen.
Kernenovationen i denne løsning ligger i en betydelig forhøjelse af indsnævringsstrømtætheden. Gennem teoretisk afledelse:
• Aktiveringsstrømværdi I₁ ∝ (præ-arcing I²t * di/dt)^(1/3)
• Præ-arcing I²t værdi ∝ (indsnævrings-tværsnitsareal (S))²
Konklusion: Under samme nominelle strøm og kortslutningsforhold, kræver en højere indsnævringsstrømtæthed et mindre indsnævrings-tværsnitsareal (S), hvilket reducerer præ-arcing I²t værdien. Dette sikrer hurtig drift selv under ekstremt høje kortslutningsstrømme, og gør pålidelig brydning mulig. Målet med dette design er at forhøje denne måling fra det nuværende produkt niveau på ~1000 A/mm² til over 3000 A/mm².
2.3 Konstruktionsoptimering og simuleringsverifikation
• Simuleringsværktøj: ANSYS 11.0 software blev brugt til parametrisk modellering baseret på APDL sprog, hvilket gør det muligt at beregne sikringselementets resistans præcist og simulere præ-arcing processen.
• Sikringselement strukturvalg: Det traditionelle cirkulære hul design blev opgivet i favør af et rektangulært hul design. Denne struktur maksimerer strømtransportandel i ikke-indsnævringsområder, og opnår lavere resistans og højere strømtransportkapacitet inden for samme volumen, hvilket perfekt løser konflikten mellem strømtransportkapacitet og hastighed.
• Parameteroptimering: Nøgleparametre som indsnævringsbredde (b), hullernes bredde (c), afstand (d) og tykkelse (h) blev optimeret gennem multidimensionelle simulationer. Den optimale løsning for minimaliseret resistans blev søgt, mens man sikrede produktionstekniske muligheder (fx undgå elementbrud eller deformation).
Optimeringsresultat: Det endelige design opnåede en sikringselement resistans på 15.2 μΩ og et indsnævrings-tværsnitsareal på 0.6 mm², hvilket fuldt ud opfylder kravene for en 40 kA brydekraft.
III. Ydeevne verifikation og testresultater
3.1 Temperaturstigning test
• Testbetingelser: Anvendte 2000 A AC strøm for stabil kontinuerlig drift.
• Testresultater:
o Den målte kolde resistans var 15.0 μΩ, højt sammenfaldende med simuleringsværdien (15.2 μΩ), hvilket bekræfter modelens præcision.
o Temperaturstigninger på nøglesider opfyldte standarder (85 K ved indsnævringsstedet, ca. 47 K ved terminalerne).
o Strømtransportkapaciteten bekræftede en nominel strøm på 2000 A. Den beregnede indsnævringsstrømtæthed nåede 3300 A/mm², langt over lignende indenlandske og internationale produkter.
3.2 Kortslutningsaktiveringstest
• Testbetingelser: En simuleret kreds blev opsat for at generere en forventet symmetrisk kortslutningsstrøm på 40 kA.
• Testresultater:
o Den målte aktiveringsstrømværdi var 15.1 kA, højt sammenfaldende med den simulerede forudsigelsesværdi (15 kA) og inden for det optimale område på 8-15 kA.
o Den genererede bue-spænding nåede 50 V, tilstrækkelig til pålideligt at tænde elektrisk detonator inden for mikrosekunder, demonstrerer dens hurtige og pålidelige drift.
IV. Konklusion og fordele
Denne løsning udviklede med succes en højprestationerende bueaktiveret sikring. De centrale konklusioner og fordele er som følger:
- Fundamentalt gennembrud: Gennem innovativ rektangulært hul sikringselement design og parameteroptimering blev den inbyggede konflikt mellem strømtransportkapacitet og driftshastighed i bueaktiverede sikringer løst. Indsnævringsstrømtætheden blev forhøjet til et brancheførende niveau på 3300 A/mm².
- Høje ydeevneindikatorer: Produktet er egnet til 10 kV spændingsniveauer, opnår en nominel strøm på 2000 A og en brydekraft på 40 kA, og opfylder behovene for højspændings- og højstrømsindustrielle applikationer.
- Høj pålidelighed: Den rent mekaniske bueaktivering mekanisme er passiv og kræver ingen kontrol, eliminerer afhængigheden af elektroniske komponenter og eksterne strømforsyninger. Den tilbyder stærk støjimmunitet og pålidelig drift.
- Verificerbar teknologi: Simuleringsmodel baseret på ANSYS viste højt sammenfald med målte resultater, der giver en effektiv og pålidelig værktøj og metode til produkt design og optimering.
