پیشنهاد پیشرفته فیوز بازتابه‌ای برای کاربردهای بالاولتیژ و بالا جریان
I. پیشینه تحقیق و مسائل اصلی
۱.۱ پیشینه تحقیق
با گسترش مداوم مقیاس سیستم‌های برق و افزایش ظرفیت کوتاه مدار، نیاز به تجهیزات محافظ محدودکننده جریان خطا بالاتر شده است. راه‌حل‌های موجود اصلی شامل محدودکننده‌های جریان خطا فوق رسانا (SFCL)، دیودها محدودکننده جریان هیبریدی و فیوزهای محدودکننده جریان هیبریدی می‌شوند. در میان این راه‌حل‌ها، فیوزهای محدودکننده جریان هیبریدی به دلیل رسیدگی فناوری بالا، ارزان قیمت بودن و کاربرد گسترده، انتخاب بازار شده‌اند.
با این حال، فناوری‌های موجود دو محدودیت اصلی دارند:
• نوع کنترل الکترونیکی: به اجزای الکترونیکی حساس و منبع تغذیه کنترل خارجی متکی است، که آن را در معرض خرابی یا عدم عملکرد به دلیل خرابی اجزا یا از دست دادن تغذیه کنترل قرار می‌دهد. قابلیت اطمینان آن توسط شرایط خارجی محدود می‌شود.
• نوع فعال شونده با قوس الکتریکی: با وجود مزایایی مانند ساختار ساده، توانایی مقاومت علیه تداخل قوی، اندازه کوچک و هزینه کم، جریان اسمی (معمولاً ≤600A) و ظرفیت قطع (معمولاً ≤25kA) آن نسبتاً کم است، که باعث می‌شود در برآوردن نیازهای فوری کاربردهای صنعتی با ولتاژ و جریان بالا (مانند متالورژی در مقیاس بزرگ، کارخانه‌های شیمیایی، مراکز داده) دشواری داشته باشد.
۱.۲ تضاد اصلی
بهبود عملکرد فیوزهای فعال شونده با قوس الکتریکی با یک تضاد اساسی مواجه است: تعادل بین عملکرد سریع و ظرفیت جریان. برای دستیابی به عملکرد سریع (مقدار I²t پیش از قوس کم)، نیاز به مقطع مسیر کوچک در محدوده تنگ فیوز است. در مقابل، افزایش ظرفیت جریان اسمی نیازمند مقطع مسیر بزرگ‌تر است. افزایش مقطع مسیر مقدار I²t پیش از قوس را افزایش می‌دهد، که باعث تأخیر در عملکرد در مواقع کوتاه مدار می‌شود. این تأخیر باعث افزایش جریان کوتاه مدار واقعی می‌شود و در نهایت منجر به شکست قطع می‌شود.
II. راه‌حل: پیشرفت‌های فناوری کلیدی و طراحی نوآورانه
۲.۱ اصل کار
این راه‌حل از یک مشعل قوس به عنوان واحد حسگر و فعال‌ساز اصلی استفاده می‌کند. ساختار آن عمدتاً شامل دو تخته مس، عنصر فیوز نقره‌ای داخلی (با محدوده‌های تنگ طراحی شده به طور خاص)، مواد پرکننده و پوشش است. فرآیند قطع به شرح زیر است:
- قوس الکتریکی: هنگامی که جریان کوتاه مدار رخ می‌دهد، محدوده تنگ عنصر فیوز به سرعت ذوب و قوس الکتریکی ایجاد می‌کند که ولتاژ قوس اولیه را تولید می‌کند.
- فعال‌سازی: این ولتاژ قوس به سرعت مشعل انفجاری موازی (детонатор) را روشن می‌کند.
- جابجایی جریان: مشعل انفجاری منفجر می‌شود و مسیر مقاومت بالا را ایجاد می‌کند که مجبور می‌کند جریان کوتاه مدار به شاخه فیوز خاموش کننده قوس موازی منتقل شود.
- قطع: فیوز خاموش کننده قوس قوس الکتریکی ایجاد می‌کند و ولتاژ قوس بسیار بالا تولید می‌کند که جریان را به صفر می‌برد و قطع محدودکننده جریان سریع را انجام می‌دهد.
۲.۲ نوآوری اصلی: طراحی با چگالی جریان محدوده تنگ بالا
مقدار جریان فعال‌ساز (I₁) یک پارامتر کلیدی در تعیین موفقیت قطع است که باید در محدوده بهینه ۸-۱۵kA باقی بماند. برای طراحی‌های فعال شونده با قوس، جریان اسمی با جریان فعال‌ساز همبستگی قوی دارد.
پیشرفت اصلی این راه‌حل در افزایش چشمگیر چگالی جریان محدوده تنگ است. از طریق استخراج نظری:
• مقدار جریان فعال‌ساز I₁ ∝ (مقدار I²t پیش از قوس * di/dt)^(1/3)
• مقدار I²t پیش از قوس ∝ (مساحت مقطع محدوده تنگ (S))²
نتیجه: تحت شرایط جریان اسمی و کوتاه مدار یکسان، چگالی جریان محدوده تنگ بالاتر نیاز به مقطع مسیر کوچک‌تر (S) دارد، که در نتیجه مقدار I²t پیش از قوس کاهش می‌یابد. این امر اطمینان می‌دهد که حتی در جریان‌های کوتاه مدار بسیار بالا، عملکرد سریع تضمین می‌شود و قطع مطمئن انجام می‌شود. هدف طراحی این راه‌حل ارتقاء این معیار از سطح فعلی محصول حدود ۱۰۰۰ A/mm² به بیش از ۳۰۰۰ A/mm² است.
۲.۳ بهینه‌سازی ساختاری و تأیید با شبیه‌سازی
• ابزار شبیه‌سازی: نرم‌افزار ANSYS ۱۱.۰ برای مدل‌سازی پارامتریک بر اساس زبان APDL استفاده شد که امکان محاسبه دقیق مقاومت عنصر فیوز و شبیه‌سازی فرآیند پیش از قوس را فراهم می‌کند.
• انتخاب ساختار عنصر فیوز: طراحی سوراخ دایره‌ای سنتی رها شد و به ساختار سوراخ مستطیلی تغییر یافت. این ساختار سهم جریان در مناطق غیر محدوده تنگ را به حداکثر می‌رساند و مقاومت کمتر و ظرفیت جریان بالاتر را در حجم یکسان فراهم می‌کند، که تضاد بین ظرفیت جریان و سرعت را به خوبی حل می‌کند.
• بهینه‌سازی پارامترها: پارامترهای کلیدی مانند عرض محدوده تنگ (b)، عرض سوراخ (c)، فاصله (d) و ضخامت (h) از طریق شبیه‌سازی‌های چند بعدی بهینه شدند. به دنبال راه‌حل بهینه برای مقاومت کمینه بود در حالی که امکان ساخت را تضمین می‌کرد (مانند جلوگیری از شکست یا تغییر شکل عنصر).
نتیجه بهینه‌سازی: طراحی نهایی مقاومت عنصر فیوز ۱۵.۲ μΩ و مساحت مقطع محدوده تنگ ۰.۶ mm² را به دست آورد که به طور کامل نیازهای ظرفیت قطع ۴۰ kA را برآورده می‌کند.
III. تأیید عملکرد و نتایج آزمایش
۳.۱ آزمایش افزایش دما
• شرایط آزمایش: جریان AC ۲۰۰۰ A برای عملکرد پیوسته و ثابت اعمال شد.
• نتایج آزمایش:
o مقاومت سرد اندازه‌گیری شده ۱۵.۰ μΩ بود که با مقدار شبیه‌سازی شده (۱۵.۲ μΩ) بسیار سازگار بود و صحت مدل را تأیید کرد.
o افزایش دما در نقاط کلیدی استانداردها را برآورده کرد (۸۵ K در محدوده تنگ، حدود ۴۷ K در انتهای‌ها).
o ظرفیت جریان جریان اسمی ۲۰۰۰ A را تأیید کرد. چگالی جریان محدوده تنگ محاسبه شده ۳۳۰۰ A/mm² بود که بسیار بیشتر از محصولات مشابه داخلی و بین‌المللی است.
۳.۲ آزمایش فعال‌سازی کوتاه مدار
• شرایط آزمایش: یک مدار شبیه‌سازی شده برای تولید جریان کوتاه مدار متقارن پیش‌بینی شده ۴۰ kA تنظیم شد.
• نتایج آزمایش:
o مقدار جریان فعال‌ساز اندازه‌گیری شده ۱۵.۱ kA بود که با مقدار پیش‌بینی شده شبیه‌سازی (۱۵ kA) بسیار سازگار بود و در محدوده بهینه ۸-۱۵ kA قرار داشت.
o ولتاژ قوس تولید شده به ۵۰ V رسید که کافی برای روشن کردن مطمئن detonator در چند میکروثانیه بود و عملکرد سریع و مطمئن آن را نشان داد.
IV. نتیجه‌گیری و مزایا
این راه‌حل موفق به توسعه یک فیوز با قوس الکتریکی با عملکرد بالا شد. نتایج اصلی و مزایا به شرح زیر است:
- پیشرفت اساسی: از طریق طراحی نوآورانه عنصر فیوز با سوراخ مستطیلی و بهینه‌سازی پارامترها، تضاد ذاتی بین ظرفیت جریان و سرعت عمل در مشعل‌های قوس الکتریکی حل شد. چگالی جریان محدوده تنگ به سطح صنعتی رهبرانه ۳۳۰۰ A/mm² ارتقا یافت.
- شاخص‌های عملکرد بالا: محصول برای سطوح ولتاژ ۱۰ kV مناسب است، جریان اسمی ۲۰۰۰ A و ظرفیت قطع ۴۰ kA را دستیابی می‌کند و نیازهای کاربردهای صنعتی با ولتاژ و جریان بالا را برآورده می‌کند.
- قابلیت اطمینان بالا: مکانیسم فعال‌سازی قوس الکتریکی خالص مکانیکی و غیرفعال است و نیازی به کنترل ندارد، که وابستگی به اجزای الکترونیکی و منابع تغذیه خارجی را حذف می‌کند. توانایی مقاومت علیه تداخل قوی و عملکرد مطمئن را ارائه می‌دهد.
- فناوری قابل تأیید: مدل شبیه‌سازی مبتنی بر ANSYS نشان داد که با نتایج اندازه‌گیری شده همخوانی بالایی دارد و ابزار و روش کارآمد و مطمئنی برای طراحی و بهینه‌سازی محصول ارائه می‌دهد.
