Augstsprieguma un augstām strāvēm paredzētā uzlabotā loka aktivizētā fuzijas risinājuma
I. Pētījumu fons un galvenie jautājumi
1.1 Pētījumu fons
Ar enerģijas sistēmu mēroga nepārtrauktu paplašināšanos un samazināto straumes ierobežojošā aizsardzības aprīkojuma pieaugošajiem prasībām, tiek uzlikti augstāki prasības. Esošie galvenie risinājumi ietver superstrāvas defektu straumes ierobežotājus (SFCL), hibrīdstrāves ierobežojošos šķēršanās automātus un hibrīdstrāves ierobežojošos šķēršanās līdzekļus. No tiem, hibrīdstrāves ierobežojošie šķēršanās līdzekļi ir kļuvuši par tirgus izvēlēto risinājumu tāpēc, ka to tehniskā pilnveidošana, ekonomiskums un plašā lietošana.
Taču esošās tehnoloģijas ir saistītas ar divām galvenajām ierobežojumiem:
• Elektroniski kontrolētais tips: Atkarīgs no jūtīgām elektroniskām detaļām un ārēja kontroles enerģijas avota, kas padara to par labvēlīgu neesamībai vai kļūdai dēļ detaļu kļūdām vai kontroles enerģijas zaudēšanai. Tā uzticamība ir atkarīga no ārējiem apstākļiem.
• Lokspuldzes aktivizētais tips: Nodrošina priekšrocības, piemēram, vienkāršu struktūru, spēcīgu prettrūkumu spēju, kompakto izmēru un zemu cenu, taču tā noteiktā strāve (parasti ≤600A) un šķēršanas spēja (parasti ≤25kA) ir salīdzinoši zema, kas padara to grūti pielāgotu augstām sprieguma un strāves rūpnieciskajām lietojumprogrammām (piemēram, lielapjoma metāllūkošana, vielu ražošanas rūpnīcas, datu centri).
1.2 Galvenais pretruns
Lokspuldzes aktivizēto šķēršanās līdzekļu veiktspējas uzlabošana saskaras ar pamatisko pretrunu: strādāšanas ātruma un strāves nesēj spējas kompromisu. Lai sasniegtu ātru darbību (zemu pirmsloka I²t vērtību), nepieciešams mazs šķēršanās līdzekļa šķērsgriezuma laukums. Otrādi, lai palielinātu noteikto strāves nesēj spēju, nepieciešams lielāks šķērsgriezuma laukums. Šķērsgriezuma laukuma palielināšana palielina pirmsloka I²t vērtību, kas rada aizkavējumu strāvas šķēršanā. Šis aizkavējums ļauj faktiskajai strāvei pieaugt, galu galā novedot pie šķēršanas kļūdas.
II. Risinājums: Galvenie tehniskie caurumi un inovatīvs dizains
2.1 Darbības princips
Šis risinājums izmanto lokspuldzi kā galveno sensoru un aktivizēšanas vienību. Tā struktūra galvenokārt sastāv no diviem medņu plāksnēm, iekšēja sidraba šķēršanās līdzekļa (ar speciāli izstrādātu šķērsgriezumu), aizpildes materiāla un ārējās apakšes. Šķēršanas process notiek šādi:
- Lokspuldze: Kad notiek strāvas defekts, šķēršanās līdzekļa šķērsgriezums ātri izliek un izraisa lokspuldzi, radot sākotnējo lokspuldzes spriegumu.
- Aktivizēšana: Šis lokspuldzes spriegums ātri aktivizē savienojamā eksplodējošā šķēršanās ierobežotāja (elektriskā detonators).
- Strāves maiņa: Šķēršanās ierobežotājs eksplodē, veidojot augstu rezistīvāko ceļu, piespiežot strāvu maiņai uz savienojamā lokspuldzes nomaiņas šķēršanās līdzekļa gāzē.
- Šķēršana: Lokspuldzes nomaiņas šķēršanās līdzeklis izraisa lokspuldzi, radot ļoti augstu lokspuldzes spriegumu, kas piespiedīs strāvi līdz nullei, sasniedzot ātru strāves ierobežojošo šķēršanu.
2.2 Galvenā inovācija: Augsts šķērsgriezuma strāves blīvums
Aktivizēšanas strāves vērtība (I₁) ir galvenais parametrs, kas nosaka šķēršanas panākumu, un tai jāpaliek optimālajā diapazonā 8-15kA. Lokspuldzes aktivizētajām shēmām noteiktā strāve ir stipri saistīta ar aktivizēšanas strāvi.
Šī risinājuma galvenais caurums ir šķērsgriezuma strāves blīvuma būtiska paaugstināšana. Teorētiskās izvadīšanas rezultātā:
• Aktivizēšanas strāves vērtība I₁ ∝ (priekšloka I²t * di/dt)^(1/3)
• Priekšloka I²t vērtība ∝ (šķērsgriezuma laukums (S))²
Secinājums: Viens un tas pats noteiktā strāve un strāvas defekts, augsts šķērsgriezuma strāves blīvums prasa mazāku šķērsgriezuma laukumu (S), samazinot priekšloka I²t vērtību. Tas nodrošina ātru darbību pat ļoti augstās strāvas defekta apstākļos, nodrošinot uzticamu šķēršanu. Šī risinājuma mērķis ir paaugstināt šo rādītāju no pašreizējā līmeņa ~1000 A/mm² līdz virs 3000 A/mm².
2.3 Struktūras optimizācija un simulācijas apstiprinājums
• Simulācijas rīks: ANSYS 11.0 programmatūra tika izmantota parametriskajai modelēšanai, balstoties uz APDL valodu, ļaujot precīzi aprēķināt šķēršanās līdzekļa rezistenci un simulēt priekšloka procesu.
• Šķēršanās līdzekļa struktūras izvēle: Tradicionālais apļa trauka dizains tika atcelts, izvēloties taisnstūra formu. Šī struktūra maksimizē strāves daļu netrauku zonās, sasniedzot zemāku rezistenci un augstāku strāves nesēj spēju vienā un tajā pašā tilpumā, perfekti risinot pretrunu starp strāves nesēju spēju un ātrumu.
• Parametru optimizācija: Galvenie parametri, piemēram, šķērsgriezuma platums (b), trauka platums (c), attālums (d) un biezums (h), tika optimizēti, izmantojot vairākdimensionālas simulācijas. Tika meklēts optimālais risinājums, lai minimizētu rezistenci, nodrošinot ražošanas iespējamību (piemēram, izvairot elementa bojāšanos vai deformāciju).
Optimizācijas rezultāts: Galīgais dizains sasniedza šķēršanās līdzekļa rezistenci 15.2 μΩ un šķērsgriezuma laukumu 0.6 mm², perfekti atbilstot 40 kA šķēršanas spējas prasībām.
III. Veiktspējas apstiprinājums un testa rezultāti
3.1 Temperatūras kāpuma tests
• Testa apstākļi: Tika piemērota 2000 A AC strāve stabiliem nepārtrauktiem darbam.
• Testa rezultāti:
o Mērītā saldena rezistence bija 15.0 μΩ, augsti saskaņota ar simulācijas vērtību (15.2 μΩ), apstiprinot modeļa precizitāti.
o Galvenās daļas temperatūras kāpums atbilda standartiem (85 K šķērsgriezuma vietā, aptuveni 47 K kontaktos).
o Strāves nesēj spēja apstiprināja noteikto strāvi 2000 A. Aprēķinātais šķērsgriezuma strāves blīvums sasniedza 3300 A/mm², pārsniedzot līdzīgus iekšzemes un starptautiskos produktus.
3.2 Straumes defekta aktivizēšanas tests
• Testa apstākļi: Tika sagatavots simulēts tīkls, lai radītu prognozēto simetrisko strāves defektu 40 kA.
• Testa rezultāti:
o Mērītā aktivizēšanas strāves vērtība bija 15.1 kA, augsti saskaņota ar simulēto prognozēto vērtību (15 kA) un atbilstoša optimālam diapazonam 8-15 kA.
o Izraisītais lokspuldzes spriegums sasniedza 50 V, pietiekami droši aktivizējot elektrisko detonatoru mikrosekundēs, demonstrējot to ātro un uzticamu darbību.
IV. Secinājumi un priekšrocības
Šis risinājums veiksmīgi izstrādāja augstveidotspējas lokspuldzes aktivizēto šķēršanās līdzekli. Galvenie secinājumi un priekšrocības ir šādi:
- Fundamentālais caurums: Inovatīva taisnstūra formas šķēršanās līdzekļa dizaina un parametru optimizācija atrisināja būtisko pretrunu starp strāves nesēju spēju un darbības ātrumu lokspuldzes aktivizētajos šķēršanās līdzekļos. Šķērsgriezuma strāves blīvums tika paaugstināts līdz nozaru vedēja līmenim 3300 A/mm².
- Augsti veiktspējas rādītāji: Produkts ir piemērots 10 kV sprieguma līmeņiem, sasniedzot noteikto strāvi 2000 A un šķēršanas spēju 40 kA, atbilstot augsta sprieguma un strāves rūpnieciskajām lietojumprogrammām.
- Augsta uzticamība: Ganz vienkārša mehāniskā lokspuldzes aktivizēšanas mehānisma ir pasīva un neprasa kontroli, izslēdzot atkarību no elektroniskām detaļām un ārējiem enerģijas avotiem. Tā nodrošina spēcīgu prettrūkumu spēju un uzticamu darbību.
- Apstiprināta tehnoloģija: ANSYS balstītais simulācijas modelis parādīja augstu saskaņotību ar mērītajiem rezultātiem, nodrošinot efektīvu un uzticamu rīku un metodiku produktu dizainam un optimizācijai.
