Gelişmiş Yüksek Gerilim ve Yüksek Akım Uygulamaları için Yay Çözücü Füze Çözümü
I. Araştırma Arka Planı ve Temel Sorunlar
1.1 Araştırma Arka Planı
Elektrik sistem ölçeğinin sürekli genişlemesi ve kısa devre kapasitesinin artması, arızalı akım sınırlama koruma ekipmanlarına daha yüksek gereksinimler getirmektedir. Mevcut ana akım çözümleri süperiletken arızalı akım sınırlayıcılar (SFCL), hibrit akım sınırlama kesiciler ve hibrit akım sınırlama kemerlerdir. Bunlardan, hibrit akım sınırlama kemerleri, yüksek teknoloji olgunluğu, maliyet etkinliği ve geniş uygulama alanı nedeniyle pazarın tercih ettiği seçeneğe dönüşmüştür.
Bununla birlikte, mevcut teknolojiler iki büyük sınırlılığa sahiptir:
• Elektronik Kontrollü Tip: Hassas elektronik bileşenlere ve dış kontrol güç kaynağına bağlı olarak, bileşen başarısızlığı veya kontrol gücünün kaybı nedeniyle hata yapma veya başarısızlık riskine sahiptir. Güvenilirliği dış koşullar tarafından kısıtlanır.
• Arc Tetikli Tip: Basit yapı, güçlü interferans direnci, kompakt boyut ve düşük maliyet gibi avantajlarına rağmen, belirlenmiş akımı (genellikle ≤600A) ve kesme kapasitesi (genellikle ≤25kA) nispeten düşük olup, yüksek gerilim ve yüksek akım endüstriyel uygulamalarının (örneğin, büyük ölçekli metalurji, kimya tesisleri, veri merkezleri) acil ihtiyaçlarını karşılamakta zorluk çeker.
1.2 Temel Çelişki
Arc tetikli kemerlerin performans iyileştirmesi, hızlı çalışma ve akım taşıma kapasitesi arasındaki temel bir çelişkiye sahiptir. Hızlı çalışma (düşük önarç I²t değeri) için kemer elemanın daraltma kesit alanının küçük olması gerekir. Buna karşılık, belirlenmiş akım taşıma kapasitesini artırmak daha büyük bir daraltma kesit alanını gerektirir. Kesit alanının büyümesi, önarç I²t değerini artırarak kısa devre sırasında gecikmeli işlemeye neden olur. Bu gecikme, gerçek kısa devre akımının yükselmesine izin verir ve sonunda kesme başarısızlığını doğurur.
II. Çözüm: Ana Teknolojik İlerlemeler ve Yenilikçi Tasarım
2.1 Çalışma Prensibi
Bu çözüm, arc tetikleyiciyi temel algılama ve tetikleme birimi olarak kullanmaktadır. Yapı, çoğunlukla iki bakır plaka, içten gümüş kemer elemanı (özellikle tasarlanmış daraltmalar ile), doldurma malzemesi ve bir kaplama içerir. Kesme süreci aşağıdaki gibidir:
- Arç Oluşumu: Kısa devre akımı olduğunda, kemer elemanın daraltması hızla eriyip arç oluşturur, başlangıç arç voltajı üretir.
- Tetikleme: Bu arç voltajı, paralel bağlantılı patlayıcı kesiciyi (elektrikli patlayıcıyı) hızla ateşler.
- Akım Komütasyonu: Kesici patlayarak, yüksek dirençli bir yolu oluşturur, kısa devre akımını paralel arç söndürücü kemer şubesine yönlendirir.
- Kesme: Arç söndürücü kemer arç oluşturur, çok yüksek bir arç voltajı üretir, akımı sıfıra zorlar, hızlı akım sınırlama kesmesini sağlar.
2.2 Ana Yenilik: Yüksek Daraltma Akım Yoğunluğu Tasarımı
Tetik akım değeri (I₁), kesme başarısını belirleyen kilit bir parametredir ve 8-15kA optimal aralıkta kalması gerekir. Arc tetikli tasarımlar için, belirlenmiş akım tetik akımıyla güçlü bir şekilde ilişkilidir.
Bu çözümün çekirdek ilerlemesi, daraltma akım yoğunluğunu önemli ölçüde artırmakta yatar. Teorik türevle:
• Tetik akım değeri I₁ ∝ (önarç I²t * di/dt)^(1/3)
• Önarç I²t değeri ∝ (daraltma kesit alanı (S))²
Sonuç: Aynı belirlenmiş akım ve kısa devre koşullarında, daha yüksek bir daraltma akım yoğunluğu, daha küçük bir daraltma kesit alanı (S) gerektirir, bu da önarç I²t değerini azaltır. Bu, aşırı yüksek kısa devre akımları altında bile hızlı çalışmayı sağlar, güvenilir kesmeyi mümkün kılar. Bu çözümün tasarım hedefi, bu ölçütü mevcut ürün seviyesinden ~1000 A/mm²’den 3000 A/mm²’ye yükseltmektir.
2.3 Yapısal Optimizasyon ve Simülasyon Doğrulaması
• Simülasyon Aracı: ANSYS 11.0 yazılımı, APDL diline dayalı parametrik modelleme için kullanıldı, kemer elemanın direncinin hassas hesaplanmasını ve önarç sürecinin simüle edilmesini sağladı.
• Kemer Elemanı Yapısı Seçimi: Geleneksel dairesel delik tasarımından vazgeçildi, dikdörtgen delik yapısı tercih edildi. Bu yapı, aynı hacimde non-daraltma bölgelerinde maksimum akım taşıma payını sağlar, daha düşük direnç ve daha yüksek akım taşıma kapasitesi elde edilir, akım taşıma kapasitesi ve hız arasındaki çelişkiyi mükemmel bir şekilde çözer.
• Parametre Optimizasyonu: Daraltma genişliği (b), delik genişliği (c), aralık (d) ve kalınlık (h) gibi kilit parametreler, çok boyutlu simülasyonlar aracılığıyla optimize edildi. Direnci minimize etmek için en uygun çözüm arandı, ayrıca üretim uygulanabilirliğini (örneğin, elemanın kırılması veya deformasyonunu önleme) sağlandı.
Optimizasyon Sonucu: Nihai tasarım, 15.2 μΩ direnç ve 0.6 mm² daraltma kesit alanıyla, 40 kA kesme kapasitesi gerekliliklerini mükemmel bir şekilde karşıladı.
III. Performans Doğrulaması ve Test Sonuçları
3.1 Sıcaklık Artışı Testi
• Test Koşulları: Stabil sürekli işlem için 2000 A AC akımı uygulandı.
• Test Sonuçları:
o Ölçülen soğuk direnç 15.0 μΩ idi, simülasyon değeri (15.2 μΩ) ile yüksek tutarlılık gösterdi, modelin doğruluğunu doğruladı.
o Kilit noktalardaki sıcaklık artışları standartlara uydu (daraltma noktasında 85 K, terminallerde yaklaşık 47 K).
o Taşıma kapasitesi 2000 A belirlenmiş akımı doğruladı. Hesaplanan daraltma akım yoğunluğu 3300 A/mm²’ye ulaştı, benzer yerel ve uluslararası ürünlerden çok daha yüksekti.
3.2 Kısa Devre Tetikleme Testi
• Test Koşulları: 40 kA beklenti simetrik kısa devre akımı üreten bir simüle devre kuruldu.
• Test Sonuçları:
o Ölçülen tetik akım değeri 15.1 kA idi, simüle tahmin edilen değer (15 kA) ile yüksek tutarlılık gösterdi ve 8-15 kA optimal aralıkta kaldı.
o Üretilen arç voltajı 50 V'ye ulaştı, mikrosaniyeler içinde elektrikli patlayıcıyı güvenilir bir şekilde ateşlemek için yeterliydi, hızlı ve güvenilir çalışmayı gösterdi.
IV. Sonuç ve Avantajlar
Bu çözüm, yüksek performanslı bir arc tetikli kemer geliştirdi. Çekirdek sonuçlar ve avantajlar şunlardır:
- Temel İlerleme: Yenilikçi dikdörtgen delik kemer elemanı tasarımı ve parametre optimizasyonu aracılığıyla, arc tetiklerindeki taşınma kapasitesi ve çalışma hızı arasındaki içsel çelişki çözüldü. Daraltma akım yoğunluğu, 3300 A/mm² endüstri lideri düzeyine yükseltildi.
- Yüksek Performans Göstergeleri: Ürün, 10 kV gerilim seviyeleri için uygun, 2000 A belirlenmiş akım ve 40 kA kesme kapasitesi elde ederek, yüksek gerilim ve yüksek akım endüstriyel uygulamalarının ihtiyaçlarını karşılar.
- Yüksek Güvenilirlik: Tamamen mekanik arc tetikleme mekanizması pasif olup, herhangi bir kontrol gerektirmez, elektronik bileşenlere ve dış güç kaynaklarına bağımlılığı ortadan kaldırır. Güçlü interferans direnci ve güvenilir çalışmayı sağlar.
- Doğrulanabilir Teknoloji: ANSYS tabanlı simülasyon modeli, ölçülen sonuçlarla yüksek tutarlılık gösterdi, ürün tasarımı ve optimizasyonu için etkili ve güvenilir bir araç ve metodoloji sağladı.
