Täpsem ladinaalustatud siirdelauenduse lahendus kõrgete pingete ja suurte voolude rakenduste jaoks
I. Uurimise taust ja peamised probleemid
1.1 Uurimise taust
Kui elektrisüsteemi mahu ja lühikeste kõrvutuste suuruse kasvab, tõusevad nõuded veafundeeringu kaitsevarustusele. Olemasolevad populaarsed lahendused hõlmavad üleküljelist veafundeeringu piirijat (SFCL), hybridsete veafundeeringu piirivaid lülitjuhtmeid ja hybridsete veafundeeringu piirivaid särki. Neist on hybridsete veafundeeringu piirivad särid saanud turu eelistatud valikuna oma kõrge tehnoloogilise kogemuse, kuluefektiivsuse ja laia rakendusvaldkonna tõttu.
Sellegipoolest on olemasolevatel tehnoloogiatel kaks peamist piirangut:
• Elektrooniliselt juhitav tüüp: Sellel sõltub tundlikult elektroonilistest komponentidest ja välisest juhendmootorist, mis muudab selle tundlikuks komponendite väljaloomise või juhendmootori kadumise tõttu. Selle usaldusväärsus on välissündmuste poolt piiratud.
• Looptekitava tüübi: Kuigi see pakub eeliseid nagu lihtne struktuur, tugev vastupidavus segadusele, kompaktne suurus ja madal hind, on selle määratud vool (tavaliselt ≤600A) ja katkestamiskapasitus (tavaliselt ≤25kA) suhteliselt madal, mis muudab raskeks rahuldada kõrgepinge- ja kõrgevooluliste tööstuslikke rakendusi (nt. suured metallurgiad, kemikaalitööstused, andmekeskused).
1.2 Peamine vasturääkivus
Looptekitavaid säriid performantsi parandamine on kokku puutunud põhiline vasturääkivus: kiire toimimise ja voolukaalu vaheline tasakaal. Kiire toimimise (madala pre-arcing I²t väärtuse) saavutamiseks on vaja väiksemat särielemendi sektsioonipindala. Vastupidi, määratud voolukaalu suurendamiseks on vaja suuremat sektsioonipindala. Sektsioonipindala suurendamine suurendab pre-arcing I²t väärtust, mis viib viivitusele lühikeste kõrvutuste ajal. See viivitus lubab tegeliku lühikeste kõrvutuste voolu tõusta, mis lõpuks viib katkestamise nurjumisele.
II. Lahendus: Olulised tehnoloogilised läbimurded ja innovaatiline disain
2.1 Tööpõhimõte
See lahendus kasutab looptekitajat kui keskmist tuvastamis- ja algatamise üksust. Selle struktuur koosneb peamiselt kahest kuplimaalt, sisemisest hõbedast särielemendist (eraldi disainitud sektsioonidega), täidisainekst ja kereist. Katkestamisprotsess on järgmine:
- Looptekitamine: Kui esineb lühikeste kõrvutuste voolu, siis särielementi sektsioon kiiresti sulaneb ja tekib loop, mis tekitab algse loopspänna.
- Algatamine: See loopspänn kiiresti puhastab paralleelselt ühendatud plahvatava katkestaja (elektrilise detonatori).
- Voolu ümberkanne: Katkestaja plahvatab, luues kõrget vastust, mis sundib lühikeste kõrvutuste voolu ümber kannea paralleelselt asuvasse loopkatkestamise säriharusse.
- Katkestamine: Loopkatkestamise säril tekib äärmiselt kõrge loopspänna, mis sundib voolu nulliks, saavutades kiire veafundeeringu katkestamise.
2.2 Üksikasjalik innovatsioon: Kõrge sektsioonide vooltihe disain
Algatamise vooluväärtus (I₁) on oluline parameeter, mis määrab katkestamise edu, ja sellel tuleb jääda optimaalse vahemiku 8-15kA sees. Looptekitavate disainide puhul on määratud vool tugevalt seotud algatamise vooluga.
Selle lahenduse üksikasjalik läbimurde seisneb selles, et suurendatakse sektsioonide vooltihte. Teoreetilise tuletuse kaudu:
• Algatamise vooluväärtus I₁ ∝ (pre-arcing I²t * di/dt)^(1/3)
• Pre-arcing I²t väärtus ∝ (sektsioonide pindala (S))²
Järeldus: Samade määratud voolu ja lühikeste kõrvutuste tingimustega, kõrgem sektsioonide vooltihe nõuab väiksemat sektsioonide pindala (S), mis vähendab pre-arcing I²t väärtust. See tagab kiire toimimise isegi äärmiselt kõrgete lühikeste kõrvutuste voolude korral, lubades usaldusväärset katkestamist. Selle lahenduse disainieesmärk on tõsta see näitaja praegusest toote tasemest ~1000 A/mm² kuni üle 3000 A/mm².
2.3 Struktuuri optimiseerimine ja simulatsioonide kinnitamine
• Simulatsiooni tööriist: ANSYS 11.0 tarkvara kasutati parametrilise modelleerimiseks APDL keelega, mis võimaldas täpset arvutust särielemendi vastuse ja pre-arcing protsessi simulatsiooni.
• Särielemendi struktuuri valik: Traditsiooniline ringikujuline auke disain jäeti ära kasutuselevõtmiseks ristkülikukujuline auk. See struktuur maksimeerib voolukaalu mitte-sektsioonide piirkondades, saavutades sama ruumis madalam vastus ja kõrgema voolukaalu, täpselt lahendades voolukaalu ja kiirusvahelduse vasturääkivust.
• Parameetrite optimiseerimine: Olulised parameetrid, nagu sektsioonide laius (b), auka laius (c), vahemaa (d) ja paksus (h), optimiseeriti mitmemõõtmeliste simulatsioonide kaudu. Otsiti minimaalse vastuse lahendust, tagades samas tootmise võimalikkuse (nt. elementide katkemise või deformatsiooni vältimine).
Optimiseerimise tulemus: Lõplik disain saavutas särielemendi vastuse 15.2 μΩ ja sektsioonide pindala 0.6 mm², täpselt vastavalt 40 kA katkestamiskapasituse nõudmistele.
III. Jõudluse kinnitamine ja testitulemused
3.1 Temperatuuri tõusu testimine
• Testitingimused: Rakendati 2000 A AC voolu stabiilseks jätkuvaks toimimiseks.
• Testitulemused:
o Mõõdetud külmvastus oli 15.0 μΩ, mis on kõrge konsistentsiga simulatsiooniväärtusega (15.2 μΩ), kinnitades mudeli täpsust.
o Oluliste osade temperatuuri tõus vastas standarditele (85 K sektsioonides, umbes 47 K lõpp-punktidel).
o Voolukaal kinnitas määratud voolu 2000 A. Arvutatud sektsioonide vooltihe jõudis 3300 A/mm², jäädes palju kõrgemale sarnaste kodumaal ja rahvusvaheliste toodete võrra.
3.2 Lühikeste kõrvutuste algatamise testimine
• Testitingimused: Paigutiin simulatsioonikut, et luua prognoositud sümmeetriline lühikeste kõrvutuste vool 40 kA.
• Testitulemused:
o Mõõdetud algatamise vooluväärtus oli 15.1 kA, mis on kõrge konsistentsiga simulatsioonil põhineva ennustatud väärtusega (15 kA) ja jääb optimaalsesse vahemikku 8-15 kA.
o Tekkinud loopspänna jõudis 50 V, mis on piisav elektrilise detonatori usaldusväärseks puhastamiseks mikrosekundites, näitades selle kiiret ja usaldusväärset toimimist.
IV. Järeldused ja eelised
See lahendus edukalt arendas kõrgetehnoloogilise looptekitava särri. Põhiline järeldused ja eelised on järgmised:
- Põhiline läbimurde: Innovatiivse ristkülikukujulise särielemendi disaini ja parameetrite optimiseerimise kaudu lahendati looptekitavate disainide endiselt olnud vasturääkivus voolukaalu ja toimimiskiiruse vahel. Sektsioonide vooltihe tõsteti tööstuse juhtivale tasemele 3300 A/mm².
- Kõrge jõudluse näitajad: Toode sobib 10 kV pingetasemeks, saavutades määratud voolu 2000 A ja katkestamiskapasuse 40 kA, rahuldades kõrgepinge- ja kõrgevooluliste tööstuslike rakenduste vajadusi.
- Kõrge usaldusväärsus: Puhtalt mehaaniline looptekitav mehhanism on passiivne ja ei vaja juhendamist, vältides sõltuvust elektroonilistest komponentidest ja välisest energiavarustusest. See pakub tugevat vastupidavust segadusele ja usaldusväärset toimimist.
- Kinnitatav tehnoloogia: ANSYS-i põhine simulatsioonimudel näitas kõrget konsistentsi mõõtitulemustega, pakkudes efektiivset ja usaldusväärset tööriista ja meetodit toote disainile ja optimiseerimiseks.
