Napredni rješenje za vrište s lukom za visokonaponske i visokostrujne primjene
I. Istraživački okvir i ključni problemi
1.1 Istraživački okvir
S neprestanim proširenjem skale sustava snage i povećanjem kapaciteta kratkog spoja, postavljaju se viši zahtjevi za opremom za ograničavanje strujnog krumpa. Postojeće glavne rješenje uključuju superprovodne ograničitelje strujnog krumpa (SFCL), hibridne prekidače s ograničiteljem struje i hibridne žice s ograničiteljem struje. Među njima, hibridne žice s ograničiteljem struje postale su tržište preferirano izborno zbog visoke tehnološke zrelosti, ekonomičnosti i šire primjene.
Međutim, postojeće tehnologije imaju dvije glavne ograničenja:
• Elektronički kontrolirani tip: Ovisi o osjetljivim elektroničkim komponentama i vanjskom kontroli temeljenom na strujnom napajanju, što ga čini podložnim neispravnosti ili propadu zbog propada komponenti ili gubitka kontrole nad strujnim napajanjem. Njegova pouzdanost ograničena je vanjskim uvjetima.
• Tip pokrenut lukom: Iako nudi prednosti poput jednostavne strukture, jakosti protiv smetnji, kompaktnosti i niske cijene, njegov nominalni struja (obično ≤600A) i kapacitet prekida (obično ≤25kA) su relativno niski, što mu onemogućuje ispunjavanje urgencija visokih napona i visokih struja u industrijskim primjenama (npr. velika metalurgija, kemikalije, centri za obradbu podataka).
1.2 Ključna suprotnost
Unapređenje performansi žica s ograničiteljem struje pokrenutih lukom suočeno je s fundamentalnom suprotnošću: između brzog funkcioniranja i kapaciteta prijenosa struje. Za postizanje brzog funkcioniranja (niska vrijednost I²t prije nastanka luka) potrebna je mala površina presjeka ograničitelja žice. S druge strane, povećanje nominalnog kapaciteta prijenosa struje zahtijeva veću površinu presjeka ograničitelja. Povećanje površine presjeka povećava vrijednost I²t prije nastanka luka, što uzrokuje odgode u radu tijekom kratkih spojeva. Ova odlaganja dozvoljavaju stvarnoj strujnom krumpu da se poveća, što konačno dovodi do propada prekida.
II. Rješenje: Ključni tehnološki napredak i inovativan dizajn
2.1 Načelo rada
Ovo rješenje koristi luku kao ključnu jedinicu za osjetljivost i pokretanje. Njegova struktura glavno se sastoji od dvije bakrene ploče, unutrašnjeg srebrnog ograničitelja žice (s posebno dizajniranim ograničiteljem), ispune materijala i oklopne kutije. Proces prekida je sljedeći:
- Nastanak luke: Kada se dogodi struja kratkog spoja, ograničitelj žice brzo taloži i nastaje luka, generirajući početnu naponsku razliku luke.
- Pokretanje: Ova naponska razlika luke brzo zapaljuje paralelno spojeni eksplodirajući prekidnik (električni detonator).
- Komutacija struje: Prekidnik eksplodira, formirajući put visokog otpora, prisiljavajući struju kratkog spoja da se komutira na paralelnu granu za gasenje luke.
- Prekid: Luka za gasenje luke nastaje, generirajući izuzetno visoku naponsku razliku luke koja prisiljava struju da padne na nulu, ostvarujući brzi prekid s ograničenjem struje.
2.2 Ključna inovacija: Dizajn s visokom gustoćom struje ograničitelja
Vrijednost pokretačke struje (I₁) je ključni parametar koji određuje uspjeh prekida, a mora ostati unutar optimalnog raspona od 8-15kA. Za dizajne pokrenute lukom, nominalna struja je jakouzvraćena s pokretačkom strujom.
Ključni napredak ovog rješenja leži u značajnom povećanju gustoće struje ograničitelja. Putem teorijskog izvedenja:
• Vrijednost pokretačke struje I₁ ∝ (pre-arcing I²t * di/dt)^(1/3)
• Vrijednost pre-arcing I²t ∝ (površina presjeka ograničitelja (S))²
Zaključak: Pod istim nominalnim strujama i uvjetima kratkog spoja, viša gustoća struje ograničitelja zahtijeva manju površinu presjeka ograničitelja (S), time smanjujući vrijednost pre-arcing I²t. To osigurava brzo funkcioniranje čak i pod izuzetno visokim strujama kratkog spoja, omogućujući pouzdani prekid. Cilj ovog rješenja je podići ovu metriku s trenutnog nivoa proizvoda od ~1000 A/mm² na preko 3000 A/mm².
2.3 Optimizacija strukture i simulacijska verifikacija
• Simulacijski alat: Softver ANSYS 11.0 korišten je za parametarsko modeliranje temeljeno na APDL jeziku, omogućujući preciznu izračunavanje otpora ograničitelja žice i simulaciju procesa prije nastanka luke.
• Odabir strukture ograničitelja žice: Tradicionalni dizajn s okruglim otvorom odbačen je u korist pravokutnog otvora. Ova struktura maksimalizira udio prijenosa struje u regijama bez ograničitelja, ostvarujući niže otpore i veći kapacitet prijenosa struje unutar iste volumene, savršeno rješavajući suprotnost između kapaciteta prijenosa struje i brzine.
• Optimizacija parametara: Ključni parametri poput širine ograničitelja (b), širine otvora (c), razmaka (d) i debljine (h) optimizirani su putem višedimenzionalnih simulacija. Traženo je optimalno rješenje za minimaliziranje otpora dok se osigurava proizvodna mogućnost (npr. izbjegavanje loma ili deformacije elementa).
Rezultat optimizacije: Završni dizajn postigao je otpor ograničitelja žice od 15.2 μΩ i površinu presjeka ograničitelja od 0.6 mm², savršeno ispunjavajući zahtjeve za kapacitetom prekida od 40 kA.
III. Verifikacija performansi i rezultati testiranja
3.1 Testiranje porasta temperature
• Uvjeti testiranja: Primijenjena je struja od 2000 A AC za stabilno kontinuirano funkcioniranje.
• Rezultati testiranja:
o Izmjereni hladni otpor iznosio je 15.0 μΩ, visoko u skladu s simulacijskom vrijednošću (15.2 μΩ), potvrđujući točnost modela.
o Porasli temperature na ključnim dijelovima zadovoljavaju standard (85 K na ograničitelju, približno 47 K na priključcima).
o Kapacitet prijenosa struje potvrdio je nominalnu struju od 2000 A. Izračunata gustoća struje ograničitelja dosegnula je 3300 A/mm², daleko premašujući slične domaće i međunarodne proizvode.
3.2 Testiranje pokretanja kratkog spoja
• Uvjeti testiranja: Postavljen je simulirani krug za generiranje predviđene simetrične struje kratkog spoja od 40 kA.
• Rezultati testiranja:
o Izmjerena vrijednost pokretačke struje iznosila je 15.1 kA, visoko u skladu s simulacijskom predviđenom vrijednošću (15 kA) i unutar optimalnog raspona od 8-15 kA.
o Generirana naponska razlika luke dosegnula je 50 V, dovoljno za pouzdano zapaljivanje električnog detonatora unutar mikrosekundi, pokazivši brzo i pouzdano funkcioniranje.
IV. Zaključak i prednosti
Ovo rješenje uspješno je razvilo visokoperformantnu žicu s ograničiteljem struje pokrenutu lukom. Ključni zaključci i prednosti su sljedeći:
- Fundamentalni napredak: Putem inovativnog dizajna ograničitelja žice s pravokutnim otvorom i optimizacije parametara, riješena je ugrađena suprotnost između kapaciteta prijenosa struje i brzine funkcioniranja u pokretačkim uređajima pokrenutim lukom. Gustoća struje ograničitelja podignuta je na vodeći industrijski nivo od 3300 A/mm².
- Visoki performansni pokazatelji: Proizvod je prikladan za naponsku razinu od 10 kV, dostižući nominalnu struju od 2000 A i kapacitet prekida od 40 kA, ispunjavajući potrebe visokih napona i visokih struja u industrijskim primjenama.
- Visoka pouzdanost: Čisto mehanički mehanizam pokretanja luke pasivan je i ne zahtijeva kontrolu, eliminirajući ovisnost o elektroničkim komponentama i vanjskim strujnim napajanjima. Nudi jakost protiv smetnji i pouzdano funkcioniranje.
- Tehnologija koja se može verificirati: Simulacijski model temeljen na ANSYS-u pokazao je visoku u skladnost s izmjeranim rezultatima, pružajući učinkovit i pouzdan alat i metodologiju za dizajn i optimizaciju proizvoda.
