Fejlett ívindított védőelem megoldás magfeszültségű és nagy áramú alkalmazásokhoz
I. Kutatási Háttér és Főbb Problémák
1.1 Kutatási Háttér
A villamos rendszerek méretének folyamatos növekedésével, valamint a rövidzárlóképesség növekedésével egyre magasabb követelmények tárulnak a hibajáradék korlátozó védelmi eszközök elé. A jelenlegi főstream megoldások között szerepelnek a szupravezető hibajáradék korlátozók (SFCL), a híbride áramkorlátozó átkapcsolók és a híbride áramkorlátozó biztosítékvezetékek. Ezek közül a híbride áramkorlátozó biztosítékvezetékek a piaci preferált választást képezik technológiai érettégiük, költséghatékonyságuk és széles körű alkalmazhatóságuk miatt.
Azonban a meglévő technológiák két nagy hátrányt jelentenek:
• Elektronikusan irányított típus: Érzékeny elektronikus alkatrészekre és külső irányító tápegységre támaszkodik, ami komponenshiba vagy irányítóenergia elvesztése esetén hibás működéshez vagy kudarcra vezethet. A megbízhatósága külső feltételektől függ.
• Lángindított típus: Bár egyszerű szerkezetű, erős zavarkezelő képességű, kompakt és olcsó, nominális áramát (általában ≤600A) és lekapcsoló képességét (általában ≤25kA) tekintve relatíve alacsony, ami nehézségeket okoz a nagyfeszültségű és nagyáramú ipari alkalmazások (pl. nagy lényegű metallurgiai, vegyipari gyárak, adatközpontok) számára.
1.2 Fő Ellentmondás
A lángindított biztosítékvezetékek teljesítményének fejlesztése alapvető ellentmondással néz szembe: a gyors működés és az áramviselő képesség közötti trade-off. Gyors működés eléréséhez (alacsony előláng I²t érték) kis keretezési részleti területre van szükség. Ugyanakkor a nominális áramviselő képesség növeléséhez nagyobb keretezési részleti terület szükséges. A terület növelése növeli az előláng I²t értéket, ami rövidzárló esetén késedelmet okoz. Ez a késedelem lehetővé teszi a valós rövidzárló áram emelkedését, ami végül lekapcsolási kudarchoz vezethet.
II. Megoldás: Kifejezett Technológiai Áttörések és Innovatív Tervezés
2.1 Működési Elv
Ez a megoldás lángindítót használ alapérzékelő és indító egységként. Szerkezete főleg két rézből áll, belső ezüst biztosítékvezetékből (speciálisan kialakított keretezésekkel), töltőanyagból és beházolóból. A lekapcsolási folyamat a következőképpen zajlik:
- Lángindítás: Rövidzárló áram esetén a biztosítékvezeték keretezése gyorsan olvad és lángot indít, amely kezdeti lángfeszültséget generál.
- Indítás: Ez a lángfeszültség gyorsan meggyújti a párhuzamosan kapcsolt robbanó lekapcsolót (elektromos detonzátor).
- Áramátirányítás: A lekapcsoló robban, magas ellenállású útvonalat formál, ami a rövidzárló áramot a párhuzamos lángoltási biztosítékvezeték ágába átirányítja.
- Le Kapcsolás: A lángoltási biztosítékvezeték lángot indít, ami extrém magas lángfeszültséget generál, ami a nulláig csökkenti az áramot, így gyors áramkorlátozást és lekapcsolást valósít meg.
2.2 Alapvető Innováció: Magas Keretezési Áramszűrő Sűrűség Tervezése
Az indítási áram értéke (I₁) kulcsfontosságú paraméter, ami meghatározza a sikeres lekapcsolást, és 8-15kA optimális tartományban kell maradnia. A lángindított tervezések esetén a nominális áram erősen korrelál az indítási árrammal.
Ez a megoldás alapvető áttörése a keretezési áramszűrő sűrűség jelentős növelésében rejlik. Elméleti levezetés alapján:
• Indítási áram értéke I₁ ∝ (előláng I²t * di/dt)^(1/3)
• Előláng I²t értéke ∝ (keretezési részleti terület (S))²
Következtetés: Ugyanazon a nominális áramon és rövidzárló feltételeken, a magasabb keretezési áramszűrő sűrűség kisebb keretezési részleti területet (S) igényel, ami csökkenti az előláng I²t értéket. Ez garantálja a gyors működést, még extrém magas rövidzárló áram mellett is, és megbízható lekapcsolást biztosít. A megoldás tervezési célja, hogy ezt a mutatót a jelenlegi termék szintjéről (~1000 A/mm²) 3000 A/mm²-re emeli.
2.3 Szerkezeti Optimalizálás és Szimulációs Ellenőrzés
• Szimulációs Eszköz: ANSYS 11.0 szoftvert használtak paraméteres modellezésre APDL nyelven, amely lehetővé teszi a biztosítékvezeték ellenállásának pontos kiszámítását és az előláng folyamatának szimulálását.
• Biztosítékvezeték Szerkezet Választása: A hagyományos kör alakú lyuk tervezést elhagyták, helyette téglalap alakú lyuk szerkezetet alkalmaztak. Ez a szerkezet maximalizálja a nem-keretezési területeken az áramviselő részesedést, alacsonyabb ellenállást és magasabb áramviselő képességet biztosít ugyanazon a térfogaton, tökéletesen feloldva az áramviselő képesség és sebesség közötti ellentmondást.
• Paraméter Optimalizálás: A keretezési szélesség (b), lyuk szélesség (c), távolság (d) és vastagság (h) főbb paramétereit többdimenziós szimulációk segítségével optimalizálták. A minimalizált ellenállás legoptimálisabb megoldását keresve, miközben biztosítják a gyártás gyakorlati megvalósíthatóságát (pl. elem törésének vagy deformálódásának elkerülése).
Optimalizálás eredménye: A végső tervezés 15.2 μΩ biztosítékvezeték ellenállást és 0.6 mm² keretezési részleti területet ért el, tökéletesen megfelelve a 40 kA lekapcsoló képesség követelményeinek.
III. Teljesítmény Ellenőrzése és Próbaeredmények
3.1 Hőmérséklet Emelkedési Próba
• Próba Feltételek: 2000 A AC áram alkalmazása stabil folyamatos működéshez.
• Próba Eredmények:
o A mérve kapott hideg ellenállás 15.0 μΩ volt, ami nagyon konzisztens a szimulációs értékkel (15.2 μΩ), ami a modell pontosságát igazolja.
o A fontos részeken a hőmérséklet-emelkedés a szabványoknak megfelelő volt (85 K a keretezésnél, körülbelül 47 K a terminális pontoknál).
o Az áramviselő képesség megerősítette a 2000 A nominális áramot. A kiszámított keretezési áramszűrő sűrűség 3300 A/mm²-re ért, ami messze meghaladja a hasonló hazai és nemzetközi termékeket.
3.2 Rövidzárló Indító Próba
• Próba Feltételek: Simulált áramkör beállítása 40 kA előrejelzett szimmetrikus rövidzárló áram generálásához.
• Próba Eredmények:
o A mérve kapott indítási áram értéke 15.1 kA volt, ami nagyon konzisztens a szimulációs előrejelzéssel (15 kA) és a 8-15 kA optimális tartományon belül van.
o A generált lángfeszültség 50 V-re ért, ami elegendő a mikroszekundumok alatt megbízhatóan meggyújtani az elektromos detonzátort, ami gyors és megbízható működést mutat.
IV. Összefoglalás és Előnyök
Ez a megoldás sikeresen fejlesztett ki egy nagy teljesítményű lángindított biztosítékvezetéket. A főbb következtetések és előnyök a következők:
- Alapvető Áttörés: Innovatív téglalap alakú lyuk biztosítékvezeték tervezés és paraméter optimalizálás révén megoldotta a lángindított biztosítékvezetékekben az áramviselő képesség és működési sebesség közötti alapvető ellentmondást. A keretezési áramszűrő sűrűséget 3300 A/mm²-re emelte, ami a szakmai szinten vezető mutató.
- Nagy Teljesítmény Mutatók: A termék alkalmas 10 kV feszültségi szintre, 2000 A nominális árammal és 40 kA lekapcsoló képességgel, amely kielégíti a nagyfeszültségű és nagyáramú ipari alkalmazások igényeit.
- Nagy Megbízhatóság: A teljesen mechanikus lángindító mechanizmus passzív, és nem igényel irányítást, így kivitelezhető anélkül, hogy elektronikus alkatrészekre vagy külső tápegységre lenne szükség. Erős zavarkezelő képességgel és megbízható működéssel rendelkezik.
- Megbízható Technológia: Az ANSYS alapú szimulációs modell nagy konzisztenciát mutatott a mérési eredményekkel, hatékony és megbízható eszközt és módszert nyújtva a termék tervezésének és optimalizálásának.
