Գերազանց կողմնագիծ առաջացնող հոսանքի համար նախատեսված բարձր լարումի և բարձր հոսանքի կիրառությունների համար
I. Հետազոտության հիմնական հարցերը և նպատակները
1.1 Հետազոտության հիմնավորում
Էլեկտրաէներգետիկ համակարգերի շարժի շարունակ բացարձակ հզորության աճի հետ կոչվում են բարձրանող պահանջներ խնդիրների սահմանափակման պաշտպանական սարքերի նկատմամբ: Առկա գլխավոր լուծումներն են՝ սուպերհոս սահմանափակիչներ (SFCL), հիբրիդ հոսանքի սահմանափակման սարքեր և հիբրիդ սահմանափակող ֆյուզեր: Այդ դեպքում հիբրիդ սահմանափակող ֆյուզերը դարձել են շահագործողների ընտրած լուծում, քանի որ դրանք ունեն բարձր տեխնոլոգիական ներդրում, արդյունավետ արժեք և լայն կիրառություն:
Այնուամենայնիվ, առկա տեխնոլոգիաները ունեն երկու գլխավոր սահմանափակումներ։
• Էլեկտրոնային կառավարման տիպ: Սա համակարգային էլեկտրոնային կոմպոնենտների և արտաքին կառավարման էլեկտրաէներգիայի վրա հենվող է, որը կարող է հետևանք ունենալ կոմպոնենտների դեֆեկտի կամ կառավարման էլեկտրաէներգիայի կորսացման պատճառով սխալ կամ դիմադրություն: Դրա հավասարակշռությունը սահմանափակված է արտաքին պայմաններով:
• Արկ առաջացնող տիպ: Չնայած պարզ կառուցվածքի, ուժեղ դիմադրության, կոմպակտ չափերի և ցածր արժեքի առավելություններին, դրա նորմալ հոսանքը (սովորաբար ≤600A) և դիմադրող հոսանքը (սովորաբար ≤25kA) բավականաչափ ցածր են, որպեսզի բավարարեն բարձր լարման և բարձր հոսանքի ինդուստրական կիրառությունների (օրինակ՝ մեծ մասշտաբի մետաղուրգական և քիմիական գործարաններ, տվյալների կենտրոններ) անհրաժեշտ պահանջներին:
1.2 Հիմնական հակասություն
Արկ առաջացնող ֆյուզերի համար կատարողականության բարձրացումը դիմադրում է հիմնական հակասության. արագ գործողության և հոսանքի տարածական հնարավորության միջև վերահսկողություն: Արագ գործողության համար (ցածր նախա-արկ I²t արժեք) պահանջվում է փոքր հատուկ մակերես: Ընդհակառակը, նորմալ հոսանքի տարածական հնարավորության մեծացումը պահանջում է մեծ հատուկ մակերես: Մակերեսի մեծացումը մեծացնում է նախա-արկ I²t արժեքը, որը հանգեցնում է դելայնումների դերադրումի դեպքում հետահարմանը: Այս հետահարումը հնարավորություն է տալիս իրական դելայնումների հոսանքի աճել, վերջնականապես հանգեցնելով դիմադրման անհաջողության:
II. Լուծում. Գլխավոր տեխնոլոգիական հայտնագործություններ և նորարար կառուցվածք
2.1 Գործողության սկզբունք
Այս լուծումը օգտագործում է արկ առաջացնող սահմանափակիչ որպես կարգավոր և ակտիվացնող միավոր: Դրա կառուցվածքը գլխավորությամբ բաղկացած է երկու միգուսած նիստերից, ներքին արծաթային ֆյուզ էլեմենտից (հատուկ հատվածներով), լցող նյութից և սարքից: Դիմադրող գործընթացը է հետևյալը.
- Արկ առաջացնում. Երբ դելայնումների հոսանքը հանդիպում է, ֆյուզ էլեմենտի հատվածը արագ մելտում է և արկ առաջացնում, ստեղծելով սկզբնական արկ լարում:
- Ակտիվացնում. Այս արկ լարումը արագ առաջացնում է զուգահեռ կապակցված արագ դիմադրող սարքը (էլեկտրական դետոնատոր):
- Հոսանքի փոխանցում. Սարքը դետոնացնում է, ստեղծելով բարձր դիմադրության ճանապարհ, որը շրջում է դելայնումների հոսանքը զուգահեռ արկ դիմադրող ֆյուզ ճյուղին:
- Դիմադրում. Արկ դիմադրող ֆյուզը արկ առաջացնում է, ստեղծելով շատ բարձր արկ լարում, որը շրջում է հոսանքը զրոյի, հասնելով արագ սահմանափակման դիմադրման միջոցով:
2.2 Կորի Նորարարություն. Բարձր հատուկ հոսանքի խտության կառուցվածք
Ակտիվացնող հոսանքի արժեքը (I₁) է գլխավոր պարամետրը, որը որոշում է դիմադրման հաջողությունը, պետք է մնա օպտիմալ շրջանում 8-15kA: Արկ առաջացնող կառուցվածքների համար նորմալ հոսանքը ուժեղ կապ ունի ակտիվացնող հոսանքի հետ:
Այս լուծումի գլխավոր հայտնագործությունը բարձր հատուկ հոսանքի խտության ներկայացման մեջ է: Թեորետիկ ածանցման միջոցով.
• Ակտիվացնող հոսանքի արժեքը I₁ ∝ (նախա-արկ I²t * di/dt)^(1/3)
• Նախա-արկ I²t արժեքը ∝ (հատուկ մակերես (S))²
Արդյունք. Նույն նորմալ հոսանքի և դելայնումների պայմաններում, բարձր հատուկ հոսանքի խտությունը պահանջում է փոքր հատուկ մակերես (S), որը նվազում է նախա-արկ I²t արժեքը: Այս պահանջումը ապահովում է արագ գործողություն նույնիսկ շատ բարձր դելայնումների հոսանքի դեպքում, որը հնարավորություն է տալիս հավասարակշռությունը ստանալ: Այս լուծումի նպատակը է այս ցուցիչը բարձրացնել ներկա ապրանքի մակարդակի ~1000 A/mm² մինչև 3000 A/mm² ցուցիչ:
2.3 Կառուցվածքի օպտիմիզացիա և սիմուլյացիայի ստուգում
• Սիմուլյացիայի գործիք. ANSYS 11.0 ծրագիրը օգտագործվեց APDL լեզվով պարամետրական մոդելավորման համար, որը հնարավորություն է տալիս ֆյուզ էլեմենտի դիմադրության ճշգրիտ հաշվարկը և նախա-արկ գործընթացի սիմուլյացիան:
• Ֆյուզ էլեմենտի կառուցվածքի ընտրություն. Առաջարկվում է սովորական շրջանային բացույթի դեստ ընդունել ուղղանկյունաձև բացույթի կառուցվածք: Այս կառուցվածքը առավելագույն չափով մեծացնում է հոսանքի բաժանման հնարավորությունը ոչ հատվածային տիրույթներում, հասնելով ցածր դիմադրության և բարձր հոսանքի տարածական հնարավորության նույն ծավալում, իսկ այսպես լուծելով հոսանքի տարածական հնարավորության և արագության միջև հակասությունը:
• Պարամետրերի օպտիմիզացիա. Հատուկ լայնություն (b), բացույթի լայնություն (c), հեռավորություն (d) և հաստություն (h) կարևոր պարամետրերը օպտիմիզացվել են բազմաչափ սիմուլյացիաների միջոցով: Որպես օպտիմալ լուծում փնտրվել է նվազագույն դիմադրությունը, ապահովելով պարագային հնարավորությունը (օրինակ՝ ավերցնելով էլեմենտի կորսացումը կամ դեֆորմացիան):
Օպտիմիզացիայի արդյունք. Վերջնական կառուցվածքը հասնել է ֆյուզ էլեմենտի դիմադրության 15.2 μΩ և հատուկ մակերեսի 0.6 mm², իսկ այսպես լիովին ապահովելով 40 kA դիմադրող հոսանքի պահանջները:
III. Տեսական ստուգում և փորձարկման արդյունքներ
3.1 Ջերմանային բարձրացման փորձարկում
• Փորձարկման պայմաններ. Կիրառվել է 2000 A հղում հոսանք կայուն շարունակական գործողության համար:
• Փորձարկման արդյունքներ.
o Չափված սառեց դիմադրությունը 15.0 μΩ է, որը բարձր համաձայնություն ունի սիմուլյացիայի արժեքի (15.2 μΩ) հետ, որը հաստատում է մոդելի ճշգրտությունը:
o Կենտրոնական մասերի ջերմանային բարձրացումը համապատասխանում է ստանդարտներին (հատուկ մակերեսում 85 K, հետ մոտ 47 K ծայրակետերում):
o Հոսանքի տարածական հնարավորությունը հաստատում է 2000 A նորմալ հոսանքը: Հաշվարկված հատուկ հոսանքի խտությունը հաստատվել է 3300 A/mm², որը շատ գերազանցում է նմանատիպ տնտեսության և միջազգային ապրանքները:
3.2 Դելայնումների ակտիվացնող փորձարկում
• Փորձարկման պայմաններ. Սիմուլացիայի համար կառուցվել է մոդել 40 kA պատասխանատու սիմետրիկ դելայնումների հոսանքի ստեղծման համար:
• Փորձարկման արդյունքներ.
o Չափված ակտիվացնող հոսանքի արժեքը 15.1 kA է, որը բարձր համաձայնություն ունի սիմուլյացիայի կանխատեսված արժեքի (15 kA) հետ և գտնվում է օպտիմալ շրջանում 8-15 kA:
o Առաջացած արկ լարումը հաստատվել է 50 V, որը բավարար է էլեկտրական դետոնատորը միկրովտուն ժամանակում հավասարակշռելու համար, որը ցույց է տալիս դրա արագ և հավասարակշռ գործողությունը:
IV. Արդյունքներ և առավելություններ
Այս լուծումը հաջողությամբ զարգացրել է բարձր կատարողականության արկ առաջացնող ֆյուզ: Կորի եզրակացությունները և առավելությունները են հետևյալները.
- Հիմնական հայտնագործություն. Նորարար ուղղանկյունաձև բացույթ ունեցող ֆյուզ էլեմենտի կառուցվածքի և պարամետրերի օպտիմիզացիայի միջոցով լուծվել է արկ առաջացնող կառուցվածքների հոսանքի տարածական հնարավորության և գործողության արագության միջև հիմնական հակասությունը: Հատուկ հոսանքի խտությունը բարձրացրել են մինչև 3300 A/mm² ընդամենը նախատեսված համար անցկացման մակարդակ:
- Բարձր կատարողական ցուցանիշներ. Ապրանքը համապատասխանում է 10 kV լարման մակարդակին, հասնելով 2000 A նորմալ հոսանքի և 40 kA դիմադրող հոսանքի, որը բավարարում է բարձր լարման և բարձր հոսանքի ինդուստրական կիրառությունների պահանջներին:
- Բարձր հավասարակշռություն. Միայն մեխանիկական արկ առաջացնող մեխանիզմը պասիվ է և չի պահանջում կառավարում, որը էլեկտրոնային կոմպոնենտների և արտաքին էլեկտրաէներգիայի կախվածությունը էլիմինացնում է: Այն ունի ուժեղ դիմադրություն և հավասարակշռ գործողություն:
- Ստուգելի տեխնոլոգիա. ANSYS-ի հիմնավորված սիմուլյացիայի մոդելը ցույց է տվել բարձր համաձայնություն չափված արդյունքների հետ, որը առաջնորդում է ապրանքի նախագծման և օպտիմիզացիայի արդյունավետ և հավասարակշռ գործիք և մեթոդոլոգիա:
