پاسخ پیشرفته بازشکن القایی برای کاربردهای فشار قوی و جریان بالا
۱. پیش‌زمینه تحقیق و مسائل اصلی
۱.۱ پیش‌زمینه تحقیق
با گسترش مداوم مقیاس سیستم برق و افزایش ظرفیت کوتاه‌مداری، نیاز به تجهیزات محافظ محدودکننده جریان خطا بالاتر شده است. راه‌حل‌های موجود اصلی شامل محدودکننده‌های جریان خطا بر پایه فرارسانا (SFCL)، دیودها مختلط محدودکننده جریان و آتش‌نشان‌های محدودکننده جریان مختلط هستند. در میان این راه‌حل‌ها، آتش‌نشان‌های محدودکننده جریان مختلط به دلیل رسیدگی فناوری بالا، ارزان‌قیمت بودن و کاربرد گسترده، انتخاب بازار شده‌اند.
با این حال، فناوری‌های موجود دو محدودیت اصلی دارند:
• نوع کنترل‌شده الکترونیکی: به قطعات حساس الکترونیکی و منبع تغذیه کنترل خارجی متکی است که باعث می‌شود به دلیل خرابی قطعات یا از دست دادن تغذیه کنترلی به مشکلات عملکردی برمی‌خورد. قابلیت اطمینان آن توسط شرایط خارجی محدود می‌شود.
• نوع تحریک‌شده با قوس الکتریکی: با وجود مزایایی مانند ساختار ساده، توانایی مقاومت علیه تداخل قوی، اندازه کوچک و قیمت پایین، جریان اسمی (معمولاً ≤600A) و ظرفیت قطع (معمولاً ≤25kA) آن کمتر است که باعث می‌شود تامین نیازهای فوری کاربردهای صنعتی با ولتاژ و جریان بالا (مانند ذوب‌آهن در مقیاس بزرگ، کارخانه‌های شیمیایی، مرکز داده‌ها) دشوار شود.
۱.۲ تضاد اصلی
افزایش عملکرد آتش‌نشان‌های تحریک‌شده با قوس الکتریکی با یک تضاد اساسی مواجه است: تعادل بین عملکرد سریع و ظرفیت جریان‌رسانی. برای دستیابی به عملکرد سریع (مقدار I²t پیش از قوس کم)، نیاز به مساحت مقطعی کوچک برای تنگی آتش‌نشان است. از طرف دیگر، افزایش ظرفیت جریان‌رسانی نیازمند مساحت مقطعی بزرگتر است. افزایش مساحت مقطعی باعث افزایش مقدار I²t پیش از قوس می‌شود که باعث تأخیر در عملکرد در زمان کوتاه‌مداری می‌شود. این تأخیر باعث افزایش جریان کوتاه‌مداری واقعی می‌شود که در نهایت منجر به شکست قطع می‌گردد.
۲. راه‌حل: پیشرفت‌های فناوری کلیدی و طراحی نوآورانه
۲.۱ اصل کار
این راه‌حل از یک تحریک‌کننده قوس به عنوان واحد حسگر و تحریک‌کننده اصلی استفاده می‌کند. ساختار آن عمدتاً شامل دو صفحه مس، یک عنصر آتش‌نشان نقره‌ای داخلی (با تنگی‌های طراحی شده خاص)، ماده پرکننده و پوشش است. فرآیند قطع به شرح زیر است:
- قوس الکتریکی: هنگامی که جریان کوتاه‌مداری رخ می‌دهد، تنگی آتش‌نشان به سرعت ذوب و قوس الکتریکی ایجاد می‌کند و ولتاژ قوس اولیه را تولید می‌کند.
- تحریک: این ولتاژ قوس به سرعت تحریک‌کننده انفجاری موازی (دیود الکتریکی) را روشن می‌کند.
- تغییر جریان: تحریک‌کننده انفجاری منفجر می‌شود و مسیر مقاومت بالا را ایجاد می‌کند که باعث می‌شود جریان کوتاه‌مداری به شاخه آتش‌نشان خاموش‌کننده قوس موازی منتقل شود.
- قطع: آتش‌نشان خاموش‌کننده قوس قوس الکتریکی ایجاد می‌کند و ولتاژ قوس بسیار بالایی تولید می‌کند که جریان را به صفر می‌برد و قطع سریع و محدودکننده جریان را انجام می‌دهد.
۲.۲ نوآوری اصلی: طراحی با چگالی جریان تنگی بالا
مقدار جریان تحریک (I₁) یک پارامتر کلیدی در تعیین موفقیت قطع است که باید در محدوده بهینه ۸-۱۵kA باقی بماند. برای طراحی‌های تحریک‌شده با قوس، جریان اسمی به طور قوی با جریان تحریک مرتبط است.
پیشرفت اصلی این راه‌حل در افزایش چشمگیر چگالی جریان تنگی است. از طریق استنباط نظری:
• مقدار جریان تحریک I₁ ∝ (I²t پیش از قوس * di/dt)^(1/3)
• مقدار I²t پیش از قوس ∝ (مساحت مقطع تنگی (S))²
نتیجه: تحت شرایط جریان اسمی و کوتاه‌مداری یکسان، چگالی جریان تنگی بالاتر نیازمند مساحت مقطع تنگی (S) کوچکتر است که باعث کاهش مقدار I²t پیش از قوس می‌شود. این امر حتی در شرایط جریان کوتاه‌مداری بسیار بالا نیز عملکرد سریع را تضمین می‌کند و قطع قابل اعتماد را فراهم می‌کند. هدف طراحی این راه‌حل ارتقاء این معیار از سطح محصول فعلی حدود ۱۰۰۰ A/mm² به بیش از ۳۰۰۰ A/mm² است.
۲.۳ بهینه‌سازی ساختاری و تأیید با شبیه‌سازی
• ابزار شبیه‌سازی: از نرم‌افزار ANSYS ۱۱.۰ برای مدل‌سازی پارامتریک بر اساس زبان APDL استفاده شد که محاسبه دقیق مقاومت عنصر آتش‌نشان و شبیه‌سازی فرآیند پیش از قوس را ممکن می‌سازد.
• انتخاب ساختار عنصر آتش‌نشان: طراحی سوراخ دایره‌ای سنتی رها شد و به جای آن از ساختار سوراخ مستطیلی استفاده شد. این ساختار به حداکثر رساندن سهم جریان‌رسانی در مناطق غیرتنگی، مقاومت کمتر و ظرفیت جریان‌رسانی بالاتر را در حجم یکسان ارائه می‌دهد و تضاد بین ظرفیت جریان‌رسانی و سرعت را به طور کامل حل می‌کند.
• بهینه‌سازی پارامترها: پارامترهای کلیدی مانند عرض تنگی (b)، عرض سوراخ (c)، فاصله (d) و ضخامت (h) از طریق شبیه‌سازی‌های چندبعدی بهینه شدند. راه‌حل بهینه برای کمینه کردن مقاومت در حالی که امکان تولید را تضمین می‌کرد (مانند جلوگیری از شکست یا تغییر شکل عنصر) جستجو شد.
نتیجه بهینه‌سازی: طراحی نهایی مقاومت عنصر آتش‌نشان ۱۵.۲ μΩ و مساحت مقطع تنگی ۰.۶ mm² را به دست آورد که به طور کامل نیازهای ظرفیت قطع ۴۰ kA را تأمین می‌کند.
۳. تأیید عملکرد و نتایج آزمون
۳.۱ آزمون افزایش دما
• شرایط آزمون: جریان AC ۲۰۰۰ A برای عملکرد پایدار و مداوم اعمال شد.
• نتایج آزمون:
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 قسمت‌های کلیدی استانداردها را رعایت کرد (۸۵ K در تنگی، حدود ۴۷ K در پایانه‌ها).
o ظرفیت جریان‌رسانی جریان اسمی ۲۰۰۰ A را تأیید کرد. چگالی جریان تنگی محاسبه شده به ۳۳۰۰ A/mm² رسید که بسیار بیشتر از محصولات مشابه داخلی و خارجی است.
۳.۲ آزمون تحریک کوتاه‌مداری
• شرایط آزمون: یک مدار شبیه‌سازی شده برای تولید جریان کوتاه‌مداری متقارن ۴۰ kA ایجاد شد.
• نتایج آزمون:
o مقدار جریان تحریک 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 بود تا دیود الکتریکی را در چند میکروثانیه به طور قابل اعتماد روشن کند و عملکرد سریع و قابل اعتماد را نشان داد.
۴. نتیجه‌گیری و مزایا
این راه‌حل موفق به توسعه یک آتش‌نشان تحریک‌شده با قوس با عملکرد بالا شد. نتیجه‌گیری‌ها و مزایای اصلی به شرح زیر است:
- پیشرفت اساسی: از طریق طراحی نوآورانه عنصر آتش‌نشان با سوراخ مستطیلی و بهینه‌سازی پارامترها، تضاد ذاتی بین ظرفیت جریان‌رسانی و سرعت عمل در تحریک‌کننده‌های قوس حل شد. چگالی جریان تنگی به سطح صنعتی رهبری ۳۳۰۰ A/mm² ارتقا یافت.
- شاخص‌های عملکرد بالا: محصول برای سطح ولتاژ ۱۰ kV مناسب است، جریان اسمی ۲۰۰۰ A و ظرفیت قطع ۴۰ kA را دارد که نیازهای کاربردهای صنعتی با ولتاژ و جریان بالا را تأمین می‌کند.
- قابلیت اطمینان بالا: مکانیسم تحریک قوس صرفاً مکانیکی و غیرفعال است و نیازی به کنترل ندارد. وابستگی به قطعات الکترونیکی و منابع تغذیه خارجی را حذف می‌کند. توانایی مقاومت علیه تداخل قوی و عملکرد قابل اعتماد را ارائه می‌دهد.
- فناوری قابل تأیید: مدل شبیه‌سازی بر اساس ANSYS نشان داد که تطابق بالایی با نتایج اندازه‌گیری شده دارد و ابزار و روش کارآمد و قابل اعتمادی برای طراحی و بهینه‌سازی محصول ارائه می‌دهد.
