Edistynyt kaariaktivoitu sähkökatkaisulinjaus ratkaisu korkean jännitteen ja suuren sähkövirran sovelluksille
I. Tutkimuksen tausta ja keskeiset ongelmat
1.1 Tutkimuksen tausta
Sähköjärjestelmien laajentuessa ja lyhytsolmuvarauksen kasvaessa vaaditaan yhä korkeampia standardeja sijaisuussuojalaitteille. Nykyisistä pääratkaisuista ovat superjohtavat sijaisuussuojaimet (SFCL), hybridisijaisuussulkevat suljet, ja hybridisijaisuussuljet. Näistä hybridisijaisuussuljet ovat tulleet markkinoiden suosikkivalinna teknologisen erityksen, kustannustehokkuuden ja laajan soveltuvuuden ansiosta.
Kuitenkin nykytekniikalla on kaksi tärkeää rajoitusta:
• Sähköisesti ohjattu tyyppi: Riippuu herkkistä sähkökomponenteista ja ulkoisesta ohjausvirtalähteestä, mikä tekee siitä altisena komponenttien epäonnistumiselle tai ohjausvirran menetykselle. Sen luotettavuus on rajoitettu ulkoisilla olosuhteilla.
• Virtasumutuksen käynnistämä tyyppi: Vaikka tarjoaa etuja kuten yksinkertaisen rakenteen, vahvan häiriökieltoominaisuuden, kompaktin koon ja matalan hinnan, sen nimellivirta (yleensä ≤600A) ja katkaisukapasiteetti (yleensä ≤25kA) ovat suhteellisen alhaiset, mikä tekee vaikeaksi vastata korkean jännitteen ja korkean virran teollisuudelle (esim. isot metallitehtaat, kemiantehdas, tiedonsiirtokeskukset).
1.2 Ydinrikontrast
Virtasumutuksen käynnistämien sijaisuussuljetten suorituskyvyn parantamisessa kohtaa perusrakontrastin: nopean toiminnan ja virtasuuruuden välillä. Nopean toiminnan saavuttamiseksi (matala ennakkosumutuksen I²t-arvo) tarvitaan pieni sulkemispisteiden poisto-ala. Toisaalta, nimellivirtasuuruuden lisäämiseksi tarvitaan suurempi poisto-ala. Suuren poisto-alan kasvattaminen lisää ennakkosumutuksen I²t-arvon, mikä aiheuttaa viiveen toiminnassa lyhytsolmun aikana. Tämä viive antaa todelliselle lyhytsolmusta mahdollisuuden nousea, mikä lopulta johtaa katkaisuun.
II. Ratkaisu: Avainteknologiset läpimurrot ja innovatiivinen suunnittelu
2.1 Toimintaperiaate
Tämä ratkaisu käyttää virtasumutusta ytimekkäänä havainnointi- ja käynnistyksenä. Sen rakenne koostuu pääasiassa kahdesta kuparilevystä, sisäisestä hopeasulkemispisteestä (erikoisesti suunnitellulla poisto-alalla), täytteestä ja kuorista. Katkaisuprosessi on seuraava:
- Virtasumutus: Kun lyhytsolmuvirta tapahtuu, sulkemispisteen poisto-ala sulaa nopeasti ja sumuta, generoimalla alkuperäisen sumutusjännitteen.
- Käynnistys: Tämä sumutusjännite syttyy nopeasti rinnan kytkettyyn räjähtävään katkaisimeen (sähköpurkka).
- Virtakatkaisu: Katkaisin räjähtää, muodostamalla korkean vastuksen polun, pakottaen lyhytsolmuvirtan kiertämään rinnan kytkettyyn sumutuksenkatkaisuun.
- Katkaisu: Sumutuksenkatkaisu sumuta, generoimalla erittäin korkean sumutusjännitteen, joka pakottaa virran nollaan, saavuttaen nopean sijaisuuskatkaisun.
2.2 Ydininnovaatio: Korkea poisto-ala virtatiheyden suunnittelu
Käynnistysvirta-arvo (I₁) on avaintekijä katkaisun onnistumisessa, joka pitää pysyä optimiarvovälissä 8-15kA. Virtasumutuksen käynnistämällä suunnittelulla nimellivirta on vahvasti korreloitu käynnistysvirtaan.
Tämän ratkaisun ydinarvo on merkittävä poisto-ala virtatiheyden kasvatus. Teoreettisella johdannolla:
• Käynnistysvirta-arvo I₁ ∝ (ennakkosumutuksen I²t * di/dt)^(1/3)
• Ennakkosumutuksen I²t-arvo ∝ (poisto-ala (S))²
Johtopäätös: Samalla nimellivirta- ja lyhytsolmuolosuhteissa, korkeampi poisto-ala virtatiheys edellyttää pienempää poisto-ala (S), mikä vähentää ennakkosumutuksen I²t-arvoa. Tämä takaa nopean toiminnan jopa äärimmäisen korkeilla lyhytsolmuvirta-olosuhteissa, mahdollistaen luotettavan katkaisun. Tämän ratkaisun suunnitelma on nostaa tämä mittari nykyiseltä tuotteelta ~1000 A/mm² yli 3000 A/mm².
2.3 Rakenneratkaisujen optimointi ja simulointiverifiointi
• Simulointityökalu: ANSYS 11.0 -ohjelmistoa käytettiin parametriseen mallintamiseen APDL-kielen pohjalta, mikä mahdollisti sulkemispisteen vastuksen tarkkan määrittelyn ja ennakkosumutuksen prosessin simuloinnin.
• Sulkemispisteen rakennemuotovalinta: Perinteinen ympyrämuotoinen reikäsuunnittelu hylättiin puolestaan suorareikäiselle rakenteelle. Tämä rakennemuoto maksimoi virtasuuruuden osuuden ei-poisto-alueilla, saavuttaen alhaisemman vastuksen ja korkeamman virtasuuruuden samassa tilavuudessa, täydellisesti ratkaiseen rikontrastin virtasuuruuden ja nopeuden välillä.
• Parametrien optimointi: Tärkeitä parametreja kuten poisto-levyn leveys (b), reikän leveys (c), väli (d) ja paksuus (h) optimoitiin moniulotteisilla simulaatioilla. Etsittiin optimaalisia ratkaisuja minimoidulle vastukselle varmistamalla valmistusmahdollisuus (esim. välttämällä elementtien rikkoutumista tai muotoilua).
Optimointitulos: Lopullinen suunnittelu saavutti sulkemispisteen vastuksen 15.2 μΩ ja poisto-ala 0.6 mm², täydellisesti vastaten 40 kA:n katkaisukapasiteettivaatimuksia.
III. Suorituskyvyn verifiointi ja testitulokset
3.1 Lämpötilan nousutesti
• Testiolosuhteet: Soveltettiin 2000 A AC-virtaa vakauden säilyttävässä jatkuvassa toiminnassa.
• Testitulokset:
o Mittattu kylmävastus oli 15.0 μΩ, hyvin yhtenevä simulointiarvolla (15.2 μΩ), vahvistaen mallin tarkkuuden.
o Avainosaan liittyvät lämpötilan nousut olivat standardien mukaisia (85 K poisto-levyllä, noin 47 K päteissä).
o Virtasuuruuden vahvistus oli 2000 A. Laskettu poisto-ala virtatiheys oli 3300 A/mm², huomattavasti ylittäen samankaltaiset kotimaisten ja kansainvälisten tuotteiden.
3.2 Lyhytsolmun käynnistystesti
• Testiolosuhteet: Simuloitu piiri luotiin luomaan 40 kA:n ennakoitu symmetrinen lyhytsolmuvirta.
• Testitulokset:
o Mittattu käynnistysvirta-arvo oli 15.1 kA, hyvin yhtenevä simuloidun ennusteen (15 kA) ja ollessa optimiarvovälissä 8-15 kA.
o Generoitu sumutusjännite oli 50 V, riittävä sähköpurkan uskovan käynnistyksen mikrosekunteissa, osoittaen sen nopean ja luotettavan toiminnan.
IV. Johtopäätökset ja etumatkapisteet
Tämä ratkaisu onnistui kehittämään korkeasuorituskykyisen virtasumutuksen käynnistämän sijaisuussuljeen. Ydinjohtopäätökset ja etumatkapisteet ovat seuraavat:
- Perusrakon läpimurto: Innovatiivisen suorareikäisen sulkemispisteen suunnittelun ja parametrien optimoinnin avulla ratkaistiin virtasumutuksen käynnistämällä sulkemispisteen omia rikontraasteja virtasuuruuden ja toiminnan nopeuden välillä. Poisto-ala virtatiheys nostettiin teollisuuden johtavaan tasoon 3300 A/mm².
- Korkeat suorituskykyindikaattorit: Tuote on sopiva 10 kV jänniteasteelle, saavuttaen 2000 A:n nimellivirtan ja 40 kA:n katkaisukapasiteetin, vastaten korkean jännitteen ja korkean virran teollisuuden tarpeita.
- Korkea luotettavuus: Puhdas mekaaninen virtasumutuksen käynnistämä mekanismi on passiivinen eikä vaadi ohjausta, poistamalla riippuvuuden sähkökomponenteista ja ulkoisista virtalähteistä. Se tarjoaa vahvan häiriökieltoominaisuuden ja luotettavan toiminnan.
- Todistettu teknologia: ANSYS-pohjainen simulointimalli osoitti hyvää yhtenevyyttä mitatuille tuloksille, tarjoten tehokkaan ja luotettavan työkalun ja metodologian tuotteen suunnitteluun ja optimointiin.
