Penyelesaian Pembakar Ark Berkecanggihan untuk Aplikasi Voltan Tinggi dan Arus Tinggi
I. Latar Belakang Penyelidikan dan Isu Utama
1.1 Latar Belakang Penyelidikan
Dengan peningkatan berterusan skala sistem kuasa dan kapasiti hubungan pendek yang semakin meningkat, tuntutan yang lebih tinggi dikenakan kepada peralatan perlindungan had arus kerosakan. Penyelesaian utama yang sedia ada termasuk pembatas arus kerosakan superkonduktor (SFCL), pemutus litar had arus hibrid, dan pelintir had arus hibrid. Di antara ini, pelintir had arus hibrid telah menjadi pilihan pasaran kerana matang teknologi yang tinggi, kos yang berkesan, dan penggunaan yang meluas.
Namun, teknologi sedia ada mempunyai dua batasan utama:
• Jenis Kawalan Elektronik: Bergantung pada komponen elektronik yang sensitif dan bekalan kuasa kawalan luaran, membuatnya mudah rosak atau gagal disebabkan kegagalan komponen atau hilangnya bekalan kuasa kawalan. Kebolehpercayaannya terhad oleh keadaan luaran.
• Jenis Dipicu Busur: Walaupun menawarkan kelebihan seperti struktur yang ringkas, keupayaan anti-gangguan yang kuat, saiz yang kecil, dan kos yang rendah, arus nominalnya (biasanya ≤600A) dan kapasiti pemutusan (biasanya ≤25kA) adalah relatif rendah, menyukarkan untuk memenuhi keperluan aplikasi industri tekanan tinggi dan arus tinggi (contohnya, metalurgi berskala besar, kilang kimia, pusat data).
1.2 Kontradiksi Inti
Peningkatan prestasi pelintir dipicu busur menghadapi kontradiksi asas: pertukaran antara operasi pantas dan keupayaan membawa arus. Untuk mencapai operasi pantas (nilai I²t pra-busur rendah), luas keratan rentas penyempitan elemen pelintir yang kecil diperlukan. Sebaliknya, peningkatan keupayaan membawa arus nominal memerlukan luas keratan rentas penyempitan yang lebih besar. Memperbesar luas keratan rentas meningkatkan nilai I²t pra-busur, menyebabkan operasi tertunda semasa hubungan pendek. Keterlambatan ini membolehkan arus hubungan pendek sebenar meningkat, akhirnya menyebabkan kegagalan pemutusan.
II. Penyelesaian: Pencapaian Teknologi Utama dan Reka Bentuk Inovatif
2.1 Prinsip Kerja
Penyelesaian ini menggunakan pemacu busur sebagai unit sensasi dan pemacu inti. Strukturnya terdiri daripada dua plat kuprum, elemen pelintir perak dalaman (dengan penyempitan yang direka khusus), bahan isi, dan enklosur. Proses pemutusan adalah seperti berikut:
- Pembusuran: Apabila arus hubungan pendek berlaku, penyempitan elemen pelintir melebur dengan cepat dan membentuk busur, menghasilkan voltan busur awal.
- Pemacuan: Voltan busur ini dengan cepat menghidupkan pemutus letupan selari (detonator elektrik).
- Komutasi Arus: Pemutus letupan meletup, membentuk laluan rintangan tinggi, memaksa arus hubungan pendek untuk dikomutasikan ke cabang pelintir pemadam busur selari.
- Pemutusan: Pelintir pemadam busur membentuk busur, menghasilkan voltan busur yang sangat tinggi yang memaksa arus menjadi sifar, mencapai pemutusan had arus yang pantas.
2.2 Inovasi Inti: Reka Bentuk Ketumpatan Arus Penyempitan Tinggi
Nilai arus pemacu (I₁) adalah parameter utama yang menentukan kejayaan pemutusan, perlu berada dalam julat optimum 8-15kA. Untuk reka bentuk dipicu busur, arus nominal berkait rapat dengan arus pemacu.
Pencapaian utama penyelesaian ini terletak pada peningkatan ketumpatan arus penyempitan secara signifikan. Melalui penurunan teori:
• Nilai arus pemacu I₁ ∝ (I²t pra-busur * di/dt)^(1/3)
• Nilai I²t pra-busur ∝ (luas keratan rentas penyempitan (S))²
Kesimpulan: Dalam arus nominal dan keadaan hubungan pendek yang sama, ketumpatan arus penyempitan yang lebih tinggi memerlukan luas keratan rentas penyempitan (S) yang lebih kecil, seterusnya mengurangkan nilai I²t pra-busur. Ini memastikan operasi pantas walaupun di bawah arus hubungan pendek yang sangat tinggi, membolehkan pemutusan yang boleh dipercayai. Matlamat reka bentuk penyelesaian ini adalah untuk meningkatkan metrik ini dari tahap produk semasa ~1000 A/mm² kepada lebih daripada 3000 A/mm².
2.3 Pengoptimuman Struktur dan Pengesahan Simulasi
• Alat Simulasi: Perisian ANSYS 11.0 digunakan untuk pemodelan parameter berdasarkan bahasa APDL, membolehkan pengiraan tepat rintangan elemen pelintir dan simulasi proses pra-busur.
• Pilihan Struktur Elemen Pelintir: Reka bentuk lubang bulat tradisional dibuang demi reka bentuk lubang segi empat. Struktur ini memaksimumkan bahagian pembawa arus di kawasan non-penyempitan, mencapai rintangan yang lebih rendah dan keupayaan membawa arus yang lebih tinggi dalam isipadu yang sama, menyelesaikan kontradiksi antara keupayaan membawa arus dan kelajuan dengan sempurna.
• Pengoptimuman Parameter: Parameter utama seperti lebar penyempitan (b), lebar lubang (c), jarak (d), dan ketebalan (h) dioptimumkan melalui simulasi multi-dimensi. Penyelesaian optimal untuk rintangan minimum dicari sambil memastikan kelayakan pembuatan (misalnya, mengelakkan pecah atau pembinatan elemen).
Keputusan Pengoptimuman: Reka bentuk akhir mencapai rintangan elemen pelintir 15.2 μΩ dan luas keratan rentas penyempitan 0.6 mm², memenuhi keperluan untuk kapasiti pemutusan 40 kA dengan sempurna.
III. Pengesahan Prestasi dan Keputusan Ujian
3.1 Ujian Peningkatan Suhu
• Keadaan Ujian: Arus AC 2000 A diterapkan untuk operasi stabil berterusan.
• Keputusan Ujian:
o Rintangan sejuk yang diukur adalah 15.0 μΩ, sangat sesuai dengan nilai simulasi (15.2 μΩ), mengesahkan kejituan model.
o Peningkatan suhu di bahagian penting memenuhi standard (85 K di penyempitan, kira-kira 47 K di terminal).
o Keupayaan membawa arus mengesahkan arus nominal 2000 A. Ketumpatan arus penyempitan yang dihitung mencapai 3300 A/mm², jauh melebihi produk serupa tempatan dan antarabangsa.
3.2 Ujian Pemacuan Hubungan Pendek
• Keadaan Ujian: Litar simulasi ditetapkan untuk menghasilkan arus hubungan pendek simetri yang dijangka 40 kA.
• Keputusan Ujian:
o Nilai arus pemacu yang diukur adalah 15.1 kA, sangat sesuai dengan nilai prediksi simulasi (15 kA) dan berada dalam julat optimum 8-15 kA.
o Voltan busur yang dihasilkan mencapai 50 V, cukup untuk menghidupkan detonator elektrik dengan andal dalam mikro saat, menunjukkan operasi yang pantas dan boleh dipercayai.
IV. Kesimpulan dan Kelebihan
Penyelesaian ini berjaya mengembangkan pelintir dipicu busur berprestasi tinggi. Kesimpulan dan kelebihan inti adalah seperti berikut:
- Penembusan Asas: Melalui reka bentuk elemen pelintir lubang segi empat inovatif dan pengoptimuman parameter, kontradiksi asas antara keupayaan membawa arus dan kelajuan operasi dalam pemacu busur diselesaikan. Ketumpatan arus penyempitan ditingkatkan kepada tahap industri terkemuka 3300 A/mm².
- Indikator Prestasi Tinggi: Produk ini sesuai untuk paras voltan 10 kV, mencapai arus nominal 2000 A dan kapasiti pemutusan 40 kA, memenuhi keperluan aplikasi industri tekanan tinggi dan arus tinggi.
- Kebolehpercayaan Tinggi: Mekanisme pemacu busur murni mekanikal adalah pasif dan tidak memerlukan kawalan, menghapuskan kebergantungan pada komponen elektronik dan bekalan kuasa luaran. Ia menawarkan keupayaan anti-gangguan yang kuat dan operasi yang boleh dipercayai.
- Teknologi yang Boleh Diverifikasi: Model simulasi berdasarkan ANSYS menunjukkan kesesuaian yang tinggi dengan keputusan pengukuran, menyediakan alat dan metodologi yang efisien dan boleh dipercayai untuk reka bentuk dan pengoptimuman produk.
