उच्च वोल्टेज और उच्च धारा एप्लिकेशन के लिए उन्नत आर्क-ट्रिगर्ड फ्यूज समाधान
I. अनुसंधान का पृष्ठभूमि और मुख्य मुद्दे
1.1 अनुसंधान का पृष्ठभूमि
विद्युत प्रणाली के पैमाने के लगातार विस्तार और शॉर्ट-सर्किट क्षमता के बढ़ने के साथ, दोष धारा सीमितक संरक्षण उपकरणों पर उच्च आवश्यकताएं लगी हैं। मौजूदा प्रमुख समाधानों में सुपरकंडक्टिंग दोष धारा सीमितक (SFCL), हाइब्रिड धारा-सीमित सर्किट ब्रेकर और हाइब्रिड धारा-सीमित फ्यूज शामिल हैं। इनमें से, हाइब्रिड धारा-सीमित फ्यूज उच्च तकनीकी परिपक्वता, लागत-कार्यक्षमता और व्यापक अनुप्रयोग के कारण बाजार की पसंदीदा चुनिंदा बन गए हैं।
हालांकि, मौजूदा तकनीकों में दो प्रमुख सीमाएं हैं:
• इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रित प्रकार: संवेदनशील इलेक्ट्रॉनिक घटकों और बाहरी नियंत्रण विद्युत आपूर्ति पर निर्भर, जिससे घटक की विफलता या नियंत्रण विद्युत की कमी के कारण विफलता हो सकती है। इसकी विश्वसनीयता बाहरी स्थितियों द्वारा सीमित है।
• आर्क-ट्रिगर्ड प्रकार: सरल संरचना, मजबूत विरोध क्षमता, संकुचित आकार और कम लागत जैसी लाभ होते हैं, लेकिन इसकी निर्धारित धारा (आमतौर पर ≤600A) और ब्रेकिंग क्षमता (आमतौर पर ≤25kA) निम्न होती है, जिससे उच्च-वोल्टेज और उच्च-धारा औद्योगिक अनुप्रयोगों (जैसे, बड़े पैमाने पर धातुरसायन, रसायन निर्माण, डेटा सेंटर) की तीव्र आवश्यकताओं को पूरा करना कठिन होता है।
1.2 मुख्य विरोधाभास
आर्क-ट्रिगर्ड फ्यूजों के प्रदर्शन की सुधार के लिए एक मौलिक विरोधाभास है: तेज ऑपरेशन और धारा-वहन क्षमता के बीच का संतुलन। तेज ऑपरेशन (कम प्री-आर्किंग I²t मान) को प्राप्त करने के लिए फ्यूज तत्व के निरोधक का छोटा क्रॉस-सेक्शन क्षेत्र आवश्यक है। इसके विपरीत, निर्धारित धारा-वहन क्षमता को बढ़ाने के लिए बड़ा निरोधक क्रॉस-सेक्शन क्षेत्र आवश्यक है। क्रॉस-सेक्शन क्षेत्र को बढ़ाने से प्री-आर्किंग I²t मान बढ़ता है, जिससे शॉर्ट-सर्किट के दौरान ऑपरेशन में देरी होती है। यह देरी वास्तविक शॉर्ट-सर्किट धारा को बढ़ने देती है, जो अंततः ब्रेकिंग विफलता का कारण बनती है।
II. समाधान: महत्वपूर्ण तकनीकी प्रगति और नवीन डिजाइन
2.1 कार्य सिद्धांत
यह समाधान आर्क ट्रिगर का उपयोग मुख्य संवेदन और ट्रिगर इकाई के रूप में करता है। इसकी संरचना मुख्य रूप से दो तांबे की प्लेट, एक आंतरिक चांदी का फ्यूज तत्व (विशेष रूप से डिजाइन किए गए निरोधक सहित), फिलर सामग्री और एक एन्क्लोजर से बनी है। ब्रेकिंग प्रक्रिया निम्नलिखित है:
- आर्किंग: जब शॉर्ट-सर्किट धारा होती है, तो फ्यूज तत्व का निरोधक तेजी से पिघलता है और आर्किंग होती है, जिससे शुरुआती आर्क वोल्टेज उत्पन्न होता है।
- ट्रिगरिंग: यह आर्क वोल्टेज तेजी से समानांतर जुड़े विस्फोटक इंटररप्टर (इलेक्ट्रिक डिटोनेटर) को जलाता है।
- धारा कम्यूटेशन: इंटररप्टर विस्फोट करता है, जिससे एक उच्च-प्रतिरोध रास्ता बनता है, जो शॉर्ट-सर्किट धारा को समानांतर आर्क-निरोधक फ्यूज शाखा में कम्यूट करने के लिए मजबूर करता है।
- ब्रेकिंग: आर्क-निरोधक फ्यूज आर्किंग होती है, जिससे बहुत उच्च आर्क वोल्टेज उत्पन्न होता है, जो धारा को शून्य करने के लिए मजबूर करता है, तेज धारा-सीमित अवरोध को प्राप्त करता है।
2.2 मुख्य नवाचार: उच्च निरोधक धारा घनत्व डिजाइन
ट्रिगर धारा मान (I₁) ब्रेकिंग सफलता को निर्धारित करने वाला एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है, जिसे 8-15kA की विशिष्ट सीमा में रखना आवश्यक है। आर्क-ट्रिगर्ड डिजाइनों के लिए, निर्धारित धारा ट्रिगर धारा के साथ गहराई से संबंधित है।
इस समाधान का मुख्य नवाचार निरोधक धारा घनत्व को बहुत बढ़ाना है। सैद्धांतिक व्युत्पन्न के द्वारा:
• ट्रिगर धारा मान I₁ ∝ (प्री-आर्किंग I²t * di/dt)^(1/3)
• प्री-आर्किंग I²t मान ∝ (निरोधक क्रॉस-सेक्शन क्षेत्र (S))²
निष्कर्ष: एक ही निर्धारित धारा और शॉर्ट-सर्किट स्थितियों के तहत, उच्च निरोधक धारा घनत्व के लिए छोटा निरोधक क्रॉस-सेक्शन क्षेत्र (S) की आवश्यकता होती है, जिससे प्री-आर्किंग I²t मान कम होता है। यह अत्यधिक उच्च शॉर्ट-सर्किट धारा के तहत भी तेज ऑपरेशन की गारंटी देता है, जो विश्वसनीय ब्रेकिंग को संभव बनाता है। इस समाधान का डिजाइन लक्ष्य इस मापदंड को वर्तमान उत्पाद स्तर से ~1000 A/mm² से 3000 A/mm² से अधिक तक बढ़ाना है।
2.3 संरचनात्मक अनुकूलन और सिमुलेशन सत्यापन
• सिमुलेशन टूल: ANSYS 11.0 सॉफ्टवेयर का उपयोग APDL भाषा पर आधारित पैरामेट्रिक मॉडलिंग के लिए किया गया, जिससे फ्यूज तत्व प्रतिरोध की सटीक गणना और प्री-आर्किंग प्रक्रिया की सिमुलेशन संभव हो सकी।
• फ्यूज तत्व संरचना चयन:
