Solución avanzada de fusible activado por arco para aplicaciones de alta tensión y alta corriente
I. Antecedentes de la Investigación y Problemas Centrales
1.1 Antecedentes de la Investigación
Con la continua expansión de la escala del sistema eléctrico y el aumento de la capacidad de cortocircuito, se imponen requisitos más elevados a los equipos de protección limitadora de corriente de falla. Las soluciones principales existentes incluyen limitadores de corriente de falla superconductores (SFCL), interruptores híbridos limitadores de corriente y fusibles híbridos limitadores de corriente. Entre estos, los fusibles híbridos limitadores de corriente se han convertido en la opción preferida del mercado debido a su alta madurez tecnológica, rentabilidad y amplia aplicación.
Sin embargo, las tecnologías existentes tienen dos limitaciones principales:
• Tipo Controlado Electrónicamente: Depende de componentes electrónicos sensibles y una fuente de alimentación de control externa, lo que lo hace propenso a fallos o mal funcionamiento debido a la falla de componentes o la pérdida de alimentación de control. Su confiabilidad está restringida por condiciones externas.
• Tipo Activado por Arco: Aunque ofrece ventajas como estructura simple, fuerte resistencia a interferencias, tamaño compacto y bajo costo, su corriente nominal (típicamente ≤600A) y capacidad de interrupción (típicamente ≤25kA) son relativamente bajas, lo que dificulta satisfacer las demandas urgentes de aplicaciones industriales de alta tensión y alta corriente (por ejemplo, metalurgia a gran escala, plantas químicas, centros de datos).
1.2 Contradicción Central
La mejora del rendimiento de los fusibles activados por arco enfrenta una contradicción fundamental: el equilibrio entre la operación rápida y la capacidad de conmutación de corriente. Para lograr una operación rápida (bajo valor I²t pre-arco), se requiere un área de sección transversal pequeña del cuello del fusible. Por el contrario, aumentar la capacidad de conmutación de corriente nominal requiere un área de sección transversal del cuello mayor. El aumento del área de sección transversal incrementa el valor I²t pre-arco, causando una operación retardada durante los cortocircuitos. Este retraso permite que la corriente de cortocircuito real aumente, llevando finalmente a un fallo de interrupción.
II. Solución: Avances Tecnológicos Clave y Diseño Innovador
2.1 Principio de Funcionamiento
Esta solución emplea un disparador de arco como unidad central de detección y activación. Su estructura se compone principalmente de dos placas de cobre, un elemento de fusible de plata interna (con estrangulamientos específicamente diseñados), material de relleno y un envase. El proceso de interrupción es el siguiente:
- Arco: Cuando ocurre una corriente de cortocircuito, el estrangulamiento del elemento de fusible se derrite rápidamente y arca, generando un voltaje de arco inicial.
- Activación: Este voltaje de arco enciende rápidamente el interrumpidor explosivo en paralelo (detonador eléctrico).
- Commutación de Corriente: El interrumpidor explota, formando una ruta de alta resistencia, forzando la corriente de cortocircuito a conmutar al ramal de fusible extintor de arco en paralelo.
- Interrupción: El fusible extintor de arco arca, generando un voltaje de arco extremadamente alto que fuerza la corriente a cero, logrando una interrupción rápida y limitadora de corriente.
2.2 Innovación Central: Diseño de Alta Densidad de Corriente en el Estrangulamiento
El valor de corriente de disparo (I₁) es un parámetro clave que determina el éxito de la interrupción, necesitando permanecer dentro del rango óptimo de 8-15kA. Para los diseños activados por arco, la corriente nominal está fuertemente correlacionada con la corriente de disparo.
El avance central de esta solución radica en aumentar significativamente la densidad de corriente en el estrangulamiento. A través de la derivación teórica:
• Valor de corriente de disparo I₁ ∝ (valor I²t pre-arco * di/dt)^(1/3)
• Valor I²t pre-arco ∝ (área de sección transversal del estrangulamiento (S))²
Conclusión: Bajo la misma corriente nominal y condiciones de cortocircuito, una mayor densidad de corriente en el estrangulamiento requiere un área de sección transversal del estrangulamiento (S) más pequeña, reduciendo así el valor I²t pre-arco. Esto asegura una operación rápida incluso bajo corrientes de cortocircuito extremadamente altas, permitiendo una interrupción confiable. El objetivo de diseño de esta solución es elevar este indicador desde el nivel actual de productos de ~1000 A/mm² a más de 3000 A/mm².
2.3 Optimización Estructural y Verificación por Simulación
• Herramienta de Simulación: Se utilizó el software ANSYS 11.0 para modelado paramétrico basado en el lenguaje APDL, permitiendo el cálculo preciso de la resistencia del elemento de fusible y la simulación del proceso pre-arco.
• Selección de la Estructura del Elemento de Fusible: Se abandonó el diseño tradicional de agujeros circulares a favor de una estructura de agujeros rectangulares. Esta estructura maximiza la participación de la corriente en las regiones no estranguladas, logrando una resistencia menor y una mayor capacidad de conmutación de corriente dentro del mismo volumen, resolviendo perfectamente la contradicción entre la capacidad de conmutación de corriente y la velocidad.
• Optimización de Parámetros: Se optimizaron parámetros clave como el ancho del estrangulamiento (b), el ancho del agujero (c), el espaciado (d) y el grosor (h) a través de simulaciones multidimensionales. Se buscó la solución óptima para minimizar la resistencia mientras se aseguraba la factibilidad de fabricación (por ejemplo, evitando la rotura o deformación del elemento).
Resultado de la Optimización: El diseño final logró una resistencia del elemento de fusible de 15.2 μΩ y un área de sección transversal del estrangulamiento de 0.6 mm², cumpliendo perfectamente con los requisitos para una capacidad de interrupción de 40 kA.
III. Verificación de Rendimiento y Resultados de Pruebas
3.1 Prueba de Elevación de Temperatura
• Condiciones de Prueba: Se aplicó una corriente AC de 2000 A para operación continua estable.
• Resultados de Prueba:
o La resistencia fría medida fue de 15.0 μΩ, altamente consistente con el valor de simulación (15.2 μΩ), validando la precisión del modelo.
o Los aumentos de temperatura en partes clave cumplieron con los estándares (85 K en el estrangulamiento, aproximadamente 47 K en los terminales).
o La capacidad de conmutación confirmó una corriente nominal de 2000 A. La densidad de corriente en el estrangulamiento calculada alcanzó 3300 A/mm², superando con creces productos similares nacionales e internacionales.
3.2 Prueba de Disparo de Cortocircuito
• Condiciones de Prueba: Se configuró un circuito simulado para generar una corriente de cortocircuito simétrica prospectiva de 40 kA.
• Resultados de Prueba:
o El valor de corriente de disparo medido fue de 15.1 kA, altamente consistente con el valor predicho por simulación (15 kA) y dentro del rango óptimo de 8-15 kA.
o El voltaje de arco generado alcanzó 50 V, suficiente para encender confiablemente el detonador eléctrico en microsegundos, demostrando su operación rápida y confiable.
IV. Conclusión y Ventajas
Esta solución desarrolló con éxito un fusible activado por arco de alto rendimiento. Las conclusiones y ventajas centrales son las siguientes:
- Avance Fundamental: A través del diseño innovador del elemento de fusible con agujeros rectangulares y la optimización de parámetros, se resolvió la contradicción inherente entre la capacidad de conmutación de corriente y la velocidad de operación en los disparadores de arco. La densidad de corriente en el estrangulamiento se elevó a un nivel líder en la industria de 3300 A/mm².
- Indicadores de Alto Rendimiento: El producto es adecuado para niveles de tensión de 10 kV, logrando una corriente nominal de 2000 A y una capacidad de interrupción de 40 kA, satisfaciendo las necesidades de aplicaciones industriales de alta tensión y alta corriente.
- Alta Confianza: El mecanismo de disparo de arco puramente mecánico es pasivo y no requiere control, eliminando la dependencia de componentes electrónicos y fuentes de alimentación externas. Ofrece una fuerte resistencia a interferencias y una operación confiable.
- Tecnología Verificable: El modelo de simulación basado en ANSYS mostró una alta consistencia con los resultados medidos, proporcionando una herramienta y metodología eficientes y confiables para el diseño y optimización del producto.
