פתרון מתקדם למשטח פושט המופעל על ידי קשת לחישים גבוהים וזרמים גבוהים
I. רקע מחקר ובעיות עיקריות
1.1 רקע מחקר
עם ההתרחבות הרציפה של מימדי מערכת החשמל והגדלת קיבולת המגחט, מוטלות דרישות גבוהות יותר על ציוד הגנה מגביל זרם פסאודו. הפתרונות המרכזיים הנפוצים כוללים מגבילי זרם מגנטיים (SFCL), מנתקים גיבילים משולבים ומגבילי זרם משולבים. מבין אלה, מגבילי זרם משולבים הפכו לבחירה המועדפת בשוק בשל בשלמות הטכנולוגית הגבוהה שלהם, יעילות עלות-תועלת והיישום הרחב שלהם.
עם זאת, הטכנולוגיות הקיימות יש להן שתי מגבלות עיקריות:
• סוג מבוקר אלקטרוני: מתבססת על מרכיבים אלקטרוניים רגישים ומתח בקרה חיצוני, מה שגורם לפגיעות במחדל או כשל עקב כשל מרכיב או אובדן מתח הבקרה. האמינות שלה מוגבלת על ידי התנאים החיצוניים.
• סוג מופעל על ידי קשת: למרות שהן מציעות יתרונות כמו מבנה פשוט, יכולת התנגדות לשיבוש חזקה, גודל קטן ומחיר נמוך, הזרם המומלץ שלהן (בדרך כלל ≤600A) והקיבולת המגחט (בדרך כלל ≤25kA) הם נמוכים יחסית, מה שמאכזב את הצרכים הדחופים של יישומים תעשייתיים בעוצמה גבוהה וזרם גבוה (למשל, מטאלורגיה גדולה, מפעלי כימיה, מרכזי נתונים).
1.2 הסתירה העיקרית
השיפור בביצועי מגבילי זרם מופעלים על ידי קשת מתמודד עם סתירה בסיסית: בין פעולה מהירה לבין יכולת נשיאת זרם. כדי להשיג פעולה מהירה (ערך I²t לפני הקשת נמוך), נדרש שטח חתך קטן של המגביל. לעומת זאת, כדי להגדיל את יכולת נשיאת הזרם המומלץ נדרשת תוספת שטח חתך גדול יותר. הגדלת שטח החתך מגבילה את הערך I²t לפני הקשת, מה שגורם לעיכוב פעולה במהלך מגחטים. זה מאפשר לעצם המגחט לעלות, מה שמוביל בסופו של דבר לכשל במגחט.
II. פתרון: פריצות דרך טכנולוגיות עיקריות ועיצוב חדשני
2.1 עקרון פעולה
הפתרון הזה משתמש במערכת מפעילה על ידי קשת כיחידה חיונית לחישה והפעלה. המבנה שלו כולל בעיקר שני לוחות נחושת, אלמנט מגביל כסף פנימי (עם מצמצמים מעוצבים במיוחד), חומר מלא ובאריזה. תהליך ההפסקה הוא כדלקמן:
- קשת: כאשר מתרחש זרם מגחט, המגביל המצורף מתמוסס במהירות ויוצר קשת, המפיק מתח קשת ראשוני.
- הפעלה: המתח של הקשת מדליק במהירות את המנתק המשולב (מנענע חשמלי).
- החלפת זרם: המנתק מתפוצץ, יוצר מסלול התנגדות גבוה, מכריח את זרם המגחט להחליף לזרם המגביל המשולב המנתק את הקשת.
- הפסקה: המגביל המנתק את הקשת יוצר מתח קשת גבוה מאוד, המכריח את הזרם להגיע לאפס, מושג כך הפסקה מהירה ומגבילה של הזרם.
2.2 החדשנות העיקרית: עיצוב צפיפות זרם גבוהה של המגביל
ערך הזרם המפעיל (I₁) הוא פרמטר מפתח לקביעת הצלחת ההפסקה, הדורש להיות בתוך הטווח האופטימלי של 8-15kA. עבור עיצובים מופעלים על ידי קשת, הזרם המומלץ קשור באופן חזק לזרם המפעיל.
הפריצה הטכנולוגית העיקרית של הפתרון הזה היא בהגדלת משמעותית בצפיפות הזרם של המגביל. באמצעות נגזרת תיאורטית:
• ערך הזרם המפעיל I₁ ∝ (I²t לפני הקשת * di/dt)^(1/3)
• ערך I²t לפני הקשת ∝ (שטח החתך של המגביל (S))²
מסקנה: בתנאי מומלץ זהים ומגחטים, צפיפות זרם גבוהה יותר של המגביל דורשת שטח חתך קטן יותר (S), מה שמפחית את ערך I²t לפני הקשת. זה מבטיח פעולה מהירה גם בזרמי מגחט גבוהים מאוד, ומאפשר הפסקה אמינה. המטרה העיצובית של הפתרון הזה היא להעלות מדד זה מדרגת המוצר הנוכחית של ~1000 A/mm² מעל 3000 A/mm².
2.3 אופטימיזציה מבנית ואימות באמצעות סימולציה
• כלי סימולציה: תוכנת ANSYS 11.0 שימשה למודל פרמטרי מבוססת שפה APDL, המאפשרת חישוב מדויק של התנגדות המגביל וסימולציה של תהליך I²t לפני הקשת.
• בחירת מבנה אלמנט המגביל: נטשנו את העיצוב המסורתי של חור מעגלי zugunsten מבנה חור מלבני. מבנה זה מקסם את החלק של הזרם הנשא באזורים שאינם מצמצמים, מושג כך התנגדות נמוכה יותר ויכולת נשיאת זרם גבוהה יותר באותה נפח, פותר בצורה מושלמת את הסתירה בין יכולת נשיאת זרם למהירות.
• אופטימיזציה של פרמטרים: פרמטרים עיקריים כגון רוחב המגביל (b), רוחב החור (c), מרחק (d) ועובי (h) עברו אופטימיזציה באמצעות סימולציות רב-ממדיות. השיטה המיטבית לצמצום ההתנגדות נמצאה תוך שמירה על ייצור אפשרי (לדוגמה, למנוע פגיעה או מעוות באלמנט).
תוצאה מאופטימיזציה: העיצוב הסופי הגיע לתנגדות אלמנט מגביל של 15.2 μΩ ושטח חתך של המגביל של 0.6 mm², מושג כך את הדרישות לקיבולת מגחט של 40 kA.
III. אימות ביצועים ונחיות מבחן
3.1 מבחן עלייה בטמפרטורה
• תנאי מבחן: הופעל זרם חילופין של 2000 A לפעילות רצופה יציבה.
• תוצאות המבחן:
o ההתנגדות הקרובה שנמדדה הייתה 15.0 μΩ, מאוד עקבי עם ערך הסימולציה (15.2 μΩ), מאמת את דיוק המודל.
o עליות הטמפרטורה בחלקים עיקריים עמדו בסטנדרטים (85 K במגביל, בערך 47 K באגפים).
o יכולת נשיאת הזרם אישרה זרם מומלץ של 2000 A. צפיפות הזרם המניבילה שנמדדה הגיעה ל-3300 A/mm², הרבה מעבר למוצרים דומים בארץ ובעולם.
3.2 מבחן מפעיל מגחט קצר
• תנאי מבחן: הוכן מעגל מזויף לייצור זרם מגחט קצר סימטרי מתוכנן של 40 kA.
• תוצאות המבחן:
o הערך הנמדד של הזרם המפעיל היה 15.1 kA, מאוד עקבי עם הערך המחזוי מהסימולציה (15 kA) ובקו עם הטווח האופטימלי של 8-15 kA.
o המתח שנוצר על ידי הקשת הגיע ל-50 V, מספיק כדי להדליק באופן אמין את המנעה החשמלית תוך מיקרו-שניות, מראה על פעילות מהירה ואמינה.
IV. מסקנה ויתרונות
הפתרון הזה הצליח לפתח מגביל קשת מופעל ביצועים גבוהים. המסקנות והיתרונות העיקריים הם:
- פריצת דרך בסיסית: באמצעות עיצוב חדשני של אלמנט מגביל עם חורים מלבניים ואופטימיזציה של פרמטרים, הסתירה האינטראקטיבית בין יכולת נשיאת זרם למהירות פעולה במגבילי קשת נפתרה. צפיפות הזרם של המגביל הגיעה לרמת תעשייתית מובילה של 3300 A/mm².
- מדדי ביצועים גבוהים: המוצר מתאים לרמות מתח של 10 kV, מושג זרם מומלץ של 2000 A וקיבולת מגחט של 40 kA, משביע את הצרכים של יישומים תעשייתיים בעוצמה גבוהה וזרם גבוה.
- אמינות גבוהה: המנגנון המניע מכני טהור הוא פסיבי ולא דורש בקרה, מסיר תלות ברכיבים אלקטרוניים ומתח חיצוני. הוא מציע יכולת התנגדות לשיבוש חזקה ופעולת אמינה.
- טכנולוגיה ניתנת לאימות: המודל הסימולטיבי מבוסס ANSYS הראה עקביות גבוהה עם תוצאות המדידה, מספק כלי ושיטת עבודה יעילה ואמינה לעיצוב ומיגון מוצרים.
