Solución avanzada de fusible activado por arco para aplicaciones de alta tensión e intensidade de corrente elevada
I. Antecedentes da Investigación e Cuestións Nucleares
1.1 Antecedentes da Investigación
Con a expansión continua do tamaño do sistema eléctrico e o aumento da capacidade de cortocircuito, imponse unhas maiorías esixencias ao equipo de protección limitador de corrente de falla. As solucións mainstream actuais inclúen os limitadores de corrente de falla superconductores (SFCL), interruptores híbridos limitadores de corrente e fusibles híbridos limitadores de corrente. Entre estes, os fusibles híbridos limitadores de corrente converteronse na opción preferida do mercado debido á súa alta madurez tecnolóxica, rentabilidade e amplia aplicación.
Non obstante, as tecnoloxías existentes teñen dúas grandes limitacións:
• Tipo Controlado Electrónicamente: Depende de componentes electrónicos sensibles e dunha fonte de alimentación de control externo, facendo que sexa propenso a fallos ou fallos debido ao fallo dos componentes ou á perda de potencia de control. A súa fiabilidade está condicionada por condicións externas.
• Tipo Activado por Arco: Aínda que ofrece vantaxes como estrutura simple, forte capacidade de resistencia á interferencia, tamaño compacto e baixo custo, a súa corrente nominal (tipicamente ≤600A) e a capacidade de interrupción (tipicamente ≤25kA) son relativamente baixas, dificultando a satisfacción das demandas urgentes de aplicacións industriais de alta tensión e alta corrente (por exemplo, metalurxia a gran escala, instalacións químicas, centros de datos).
1.2 Contradicción Nuclear
A mellora do rendemento dos fusibles activados por arco enfrontase a unha contradición fundamental: o compromiso entre a operación rápida e a capacidade de portar corrente. Para lograr unha operación rápida (baixo valor I²t pre-arco), requireuse unha sección transversal pequena da restrición do elemento fusible. Por outro lado, aumentar a capacidade nominal de portar corrente requiriría unha sección transversal de restrición maior. Ampliar a sección transversal aumenta o valor I²t pre-arco, causando un retraso na operación durante cortocircuitos. Este retardo permite que a corrente real de cortocircuito aumente, levando finalmente a un fallo de interrupción.
II. Solución: Avances Tecnolóxicos Clave e Diseño Innovador
2.1 Principio de Funcionamento
Esta solución emprega un activador de arco como unidade central de detección e activación. A súa estrutura consiste principalmente en dúas placas de cobre, un elemento fusible de prata interno (con restricións específicamente deseñadas), material de recheo e un envoltorio. O proceso de interrupción é o seguinte:
- Arqueo: Cando ocorre unha corrente de cortocircuito, a restrición do elemento fusible fúndese rapidamente e arquea, xerando unha tensión de arco inicial.
- Activación: Esta tensión de arco incendeia rapidamente o interruptor explosivo conectado en paralelo (detonador eléctrico).
- Commutación de Corrente: O interruptor explota, formando unha vía de alta resistencia, forzando a corrente de cortocircuito a conmutarse ao ramo de fusible extintor de arco en paralelo.
- Interrupción: O fusible extintor de arco arquea, xerando unha tensión de arco extremadamente alta que forza a corrente a cero, logrando unha interrupción rápida limitadora de corrente.
2.2 Innovación Central: Diseño de Alta Densidade de Corrente de Restricción
O valor de corrente de activación (I₁) é un parámetro clave que determina o éxito da interrupción, necesitando permanecer no rango óptimo de 8-15kA. Para diseños activados por arco, a corrente nominal está fortemente correlacionada coa corrente de activación.
A ruptura central desta solución reside en aumentar significativamente a densidade de corrente de restrición. A través da derivación teórica:
• Valor de corrente de activación I₁ ∝ (valor I²t pre-arco * di/dt)^(1/3)
• Valor I²t pre-arco ∝ (sección transversal de restrición (S))²
Conclusión: Ba mesma corrente nominal e condicións de cortocircuito, unha maior densidade de corrente de restrición require unha sección transversal de restrición (S) menor, reducindo así o valor I²t pre-arco. Esto asegura unha operación rápida incluso baixo corrientes de cortocircuito extremadamente altas, permitindo unha interrupción fiable. O obxectivo de deseño desta solución é elevar este indicador dende o nivel actual de produto de ~1000 A/mm² a máis de 3000 A/mm².
2.3 Optimización Estructural e Verificación por Simulación
• Ferramenta de Simulación: Usouse o software ANSYS 11.0 para modelado paramétrico baseado no lenguaxe APDL, permitindo un cálculo preciso da resistencia do elemento fusible e a simulación do proceso pre-arco.
• Selección da Estrutura do Elemento Fusible: Abandonoúse o deseño tradicional de orificio circular a favor dunha estrutura de orificio rectangular. Esta estrutura maximiza a participación de portar corrente nas rexións non restrictivas, logrando unha menor resistencia e unha maior capacidade de portar corrente no mesmo volume, resolvendo perfectamente a contradición entre capacidade de portar corrente e velocidade.
• Optimización de Parámetros: Os parámetros clave, como ancho de restrición (b), ancho de orificio (c), espazamento (d) e espesor (h), foron optimizados mediante simulacións multidimensionais. Buscouse a solución óptima para minimizar a resistencia mentres se aseguraba a viabilidade de fabricación (por exemplo, evitando a rotura ou deformación do elemento).
Resultado da Optimización: O deseño final logrou unha resistencia do elemento fusible de 15.2 μΩ e unha sección transversal de restrición de 0.6 mm², cumprindo perfectamente os requisitos para unha capacidade de interrupción de 40 kA.
III. Verificación de Rendemento e Resultados de Probas
3.1 Prueba de Elevación de Temperatura
• Condicions de Proba: Aplicouse unha corrente AC de 2000 A para un funcionamento continuo estable.
• Resultados da Proba:
o A resistencia a frío medida foi de 15.0 μΩ, altamente consistente co valor de simulación (15.2 μΩ), validando a precisión do modelo.
o As elevacións de temperatura en partes clave cumpriron os estándares (85 K na restrición, aproximadamente 47 K nos terminais).
o A capacidade de portar corrente confirmou unha corrente nominal de 2000 A. A densidade de corrente de restrición calculada alcanzou 3300 A/mm², superando ampliamente produtos similares nacionais e internacionais.
3.2 Prueba de Activación de Cortocircuito
• Condicions de Proba: Estableceuse un circuito simulado para xerar unha corrente de cortocircuito simétrica prevista de 40 kA.
• Resultados da Proba:
o O valor de corrente de activación medido foi de 15.1 kA, altamente consistente co valor predicho por simulación (15 kA) e dentro do rango óptimo de 8-15 kA.
o A tensión de arco xerada alcanzou 50 V, suficiente para incendiar de maneira fiable o detonador eléctrico en microsegundos, demostrando unha operación rápida e fiable.
IV. Conclusión e Ventaxas
Esta solución desenvolveu con éxito un fusible activado por arco de alto rendemento. As conclusións e ventaxas nucleares son as seguintes:
- Ruptura Fundamental: A través do deseño innovador de elemento fusible de orificio rectangular e a optimización de parámetros, resólvese a contradición intrínseca entre a capacidade de portar corrente e a velocidade de operación nos activadores de arco. A densidade de corrente de restrición elevouse a un nivel líder na industria de 3300 A/mm².
- Indicadores de Alto Rendemento: O produto é adecuado para niveis de tensión de 10 kV, logrando unha corrente nominal de 2000 A e unha capacidade de interrupción de 40 kA, satisfacendo as necesidades de aplicacións industriais de alta tensión e alta corrente.
- Alta Fiabilidade: O mecanismo puramente mecánico de activación por arco é pasivo e non require control, eliminando a dependencia de componentes electrónicos e fontes de alimentación externas. Ofrece unha forte capacidade de resistencia á interferencia e unha operación fiable.
- Tecnoloxía Verificable: O modelo de simulación baseado en ANSYS mostrou unha alta consistencia cos resultados medidos, proporcionando unha ferramenta e metodoloxía eficientes e fiables para o deseño e optimización do produto.
