Напредна решенија за предизвикување на дуг со фузи за високи напон и високи стројни токови
I. Исследователски фон и основни проблеми
1.1 Исследователски фон
Со непрекинатото зголемување на скалата на електроприводните системи и увеликувањето на капацитетот за кратко замкнување, се поставуваат повисоки барања за опрема за ограничување и заштита од стрмни струи. Посочените mainstream решенија вклучуваат суперпроводни ограничители на стрмна струја (SFCL), хибридни прекинувачи со ограничувачки капацитет и хибридни предавачки предавачки чекорци. Од овие, хибридните предавачки чекорци станаа пазарска предпочитана избор поради нивната висока технологичка зрелост, економичност и широка примена.
Меѓутоа, постојните технологии имаат две главни ограниченија:
• Електронски контролирани тип: Зависи од осетливи електронски компоненти и надворешен контролен извор на енергија, што го прави склон на мала функционалност или неуспех поради неисправност на компонентите или загуба на контролна енергија. Неговата надежност е ограничена од надворешни услови.
• Тип активиран со дуг: Иако понудува предности како едноставна структура, силна способност на одбрана против пречки, компактен размер и ниска цена, неговата номинална струја (обично ≤600A) и прекинувачки капацитет (обично ≤25kA) се релативно ниски, што го прави тешко да задоволи спешните потреби на индустријските применби на високо напон и висока струја (напр. големи металуршки, хемиски заводи, податочни центрови).
1.2 Основна контрадикција
Подобрувањето на перформансите на чекорците активирани со дуг се соочува со фундаментална контрадикција: трговина помеѓу брз оперативен режим и капацитет за носење на струја. За да се постигне брз оперативен режим (ниска I²t вредност пред дуг), потребен е мал попречен пресек на констрикцијата на чекорецот. Спротивно, зголемувањето на номиналниот капацитет за носење на струја бара поголем попречен пресек на констрикцијата. Зголемувањето на попречниот пресек зголемува I²t вредността пред дуг, што доведува до забавено функционирање при кратко замкнување. Ова забавување овозможува реалната стрмна струја да се зголеми, што во крајна смисла доведува до прекинувачки неуспех.
II. Решение: Клучни технологички проработки и иновативни дизајни
2.1 Принцип на работа
Ова решение користи активатор на дуг како основна јединица за сензорско и тригерско детектовање. Неговата структура се состои главно од две медни плочи, внатрешен сребрен чекорец (со специјално дизајнирани констрикции), материјал за исполнување и кофичка. Процесот на прекинување е следниве:
- Дуг: Кога се случи кратко замкнување, констрикцијата на чекорецот брзо се топи и дуг, што генерира почетна напонска вредност на дуг.
- Активација: Овој напон на дуг брзо запали паралелно поврзан експлозивен прекинувач (електричен детонатор).
- Комутирање на струја: Прекинувачот експлодира, формирајќи пат со висок отпор, што го принужува краткото замкнување да комутира на паралелна гаснодуга чекорецка грана.
- Прекинување: Чекорецот за гасење на дуг дугува, генерирајќи екстремно висок напон на дуг, што го принужува текот до нула, постигнувајќи брзо ограничувачко прекинување.
2.2 Кључна иновација: Дизајн со висока густина на струја во констрикцијата
Вредноста на активационата струја (I₁) е клучен параметар што ја одреѓа успешноста на прекинувањето, треба да остане во оптимален опсег од 8-15kA. За дизајни активирани со дуг, номиналната струја е силно поврзана со активационата струја.
Кључната проработка на ова решение е значително зголемување на густина на струја во констрикцијата. Со теоретско изведување:
• Вредноста на активационата струја I₁ ∝ (I²t пред дуг * di/dt)^(1/3)
• Вредноста на I²t пред дуг ∝ (попречен пресек на констрикцијата (S))²
Заклучок: Под истите услови на номинална струја и кратко замкнување, поголема густина на струја во констрикцијата бара помал попречен пресек (S), што го намалува I²t пред дуг. Ова гарантира брзо функционирање дури и при екстремно високи кратки замкнувања, овозможувајќи надежно прекинување. Целта на дизајнот на ова решение е да го подигне овој показател од моменталната ниво на производот од ~1000 A/mm² до над 3000 A/mm².
2.3 Оптимизација на структурата и верификација со симулација
• Алатка за симулација: Користејќи софтверот ANSYS 11.0 за параметарско моделирање базирано на APDL јазик, можеше точно да се пресмета отпорот на чекорецот и да се симулира процесот пред дуг.
• Избор на структура на чекорецот: Традиционалниот дизајн со кругло отворено место беше одбиен во полза на правоаголно отворено место. Оваа структура максимално го зголемува делот на струјата во регионите без констрикција, постигнувајќи ниж отпор и поголем капацитет за носење на струја во иста обем, перфектно решавајќи контрадикцијата помеѓу капацитетот за носење на струја и брзина.
• Оптимизација на параметри: Ключни параметри како ширина на констрикцијата (b), ширина на отворено место (c), раздалечување (d) и debelina (h) беа оптимизирани преку многу димензионални симулации. Беше потражено оптимално решение за минимален отпор, додека се осигураше производствена можливост (напр. избегнување на кршение или деформација на елементите).
Резултат на оптимизација: Финалниот дизајн постигна отпор на чекорецот од 15.2 μΩ и попречен пресек на констрикцијата од 0.6 mm², перфектно задоволувајќи барањата за прекинувачки капацитет од 40 kA.
III. Верификација на перформансите и тест резултати
3.1 Тест за температурско зголемување
• Услови на тест: Применета AC струја од 2000 A за стабилно продолжително функционирање.
• Резултати од тест:
o Меренот холоден отпор беше 15.0 μΩ, високо конзистентен со симулација вредност (15.2 μΩ), што го потврдува точноста на моделот.
o Температурските зголемувања на критични делови ги задоволија стандардите (85 K на констрикцијата, околу 47 K на контактите).
o Капацитетот за носење на струја ја потврди номиналната струја од 2000 A. Пресметаната густина на струја во констрикцијата достигна 3300 A/mm², далеч надомак слични домаќински и интернационални продукти.
3.2 Тест за активација при кратко замкнување
• Услови на тест: Поставена беше симулирана кола за генерирање на очекувана симетрична кратка замкнување струја од 40 kA.
• Резултати од тест:
o Мерената активационата струја беше 15.1 kA, високо конзистентна со симулираната предвидена вредност (15 kA) и во оптимален опсег од 8-15 kA.
o Генерираната напонска вредност на дуг достигна 50 V, доволна да надежно запали електричниот детонатор во микросекунди, демонстрирајќи брзо и надежно функционирање.
IV. Заклучок и предности
Ова решение успешно разви високоперформансен чекорец активиран со дуг. Основните заклучоци и предности се следниве:
- Фундаментална проработка: Со иновативен дизајн на чекорец со правоаголно отворено место и оптимизација на параметри, се решила вградената контрадикција помеѓу капацитетот за носење на струја и брзина на функционирање во активаторите со дуг. Густина на струја во констрикцијата беше подигната до индустријски водечки ниво од 3300 A/mm².
- Високи показатели на перформанса: Продуктот е прифатлив за ниво на напон од 10 kV, постигнувајќи номинална струја од 2000 A и прекинувачки капацитет од 40 kA, задоволувајќи потребите на индустријските применби на високо напон и висока струја.
- Висока надежност: Чисто механички механизам за активација со дуг е пасивен и не бара контрола, елиминирајќи зависноста од електронски компоненти и надворешни извори на енергија. Предлажа силна способност на одбрана против пречки и надежно функционирање.
- Верификувана технологија: Моделот на симулација базиран на ANSYS покажа висока конзистентност со мерените резултати, пружајќи ефикасен и надежен алат и методологија за дизајн и оптимизација на продуктот.
