उच्च वोल्टेज र उच्च धारा अनुप्रयोगका लागि प्रगत आर्क-ट्रिगर्ड फ्युज समाधान

I. अनुसंधानको प्रसंग र मुख्य समस्याहरू​

​1.1 अनुसंधानको प्रसंग​
पावर सिस्टेमको परिमाण लगातार बढ्दै गएको र छोटो-सर्किट क्षमता बढ्दै गएकोले, फाउल्ट वर्ती सीमित रक्षण उपकरणहरूमा उच्च आवश्यकता लगाएको छ। अब सामान्य उपायहरूमा शामिल छन्: सुपरकंडक्टिभ फाउल्ट वर्ती सीमिटर (SFCL), हाइब्रिड वर्ती सीमिटिङ विद्युत टुक्रा विभाजक, र हाइब्रिड वर्ती सीमिटिङ फ्युज। यी उपायहरूमध्ये, हाइब्रिड वर्ती सीमिटिङ फ्युजहरू उच्च तकनीकी परिपक्वता, लागत-अभिप्राय, र व्यापक अनुप्रयोगको कारण बाजारको पसंदीदा चुनाव बनेका छन्।

तर, अस्तित्वमा रहेको तकनीकहरूमा दुई मुख्य सीमाहरू छन्:
• ​इलेक्ट्रोनिक नियंत्रित प्रकार:​​ संवेदनशील इलेक्ट्रोनिक घटकहरू र बाहिरी नियंत्रण विद्युत शक्ति भर्ने आवश्यक छ, जसले घटक विफलता वा नियंत्रण शक्ति नष्ट हुने कारण विफलता वा खराबी भएको छ। यसको विश्वसनीयता बाहिरी परिस्थितिहरूद्वारा सीमित छ।
• ​आर्क-प्रेरित प्रकार:​​ साधारण संरचना, मजबूत अवरोधक क्षमता, संकुचित आकार, र निम्न लागत जस्ता गुणहरू छन्, तर यसको निर्धारित विद्युत धारा (सामान्यतया ≤600A) र टुक्रा विभाजक क्षमता (सामान्यतया ≤25kA) धेरै निम्न छ, जसले उच्च वोल्टेज र उच्च धारा औद्योगिक अनुप्रयोगहरू (जस्तै, ठूलो धातु उत्पादन, रासायनिक उद्योग, डेटा केन्द्र)को जल्दी आवश्यकता पूरा गर्न मुश्किल छ।

​1.2 मुख्य विरोधाभास​
आर्क-प्रेरित फ्युजहरूको प्रदर्शन सुधारमा एक मौलिक विरोधाभास छ: तेजी सञ्चालन र विद्युत धारा वहन क्षमता बीचको तुलना। तेजी सञ्चालन (निम्न प्रारम्भिक I²t मान) लाई प्राप्त गर्न, फ्युज तत्वको संकुचन क्षेत्रको छोटो क्षेत्रफल आवश्यक छ। विपरीततया, निर्धारित विद्युत धारा वहन क्षमता बढाउन लाई ठूलो संकुचन क्षेत्रफल आवश्यक छ। क्षेत्रफल बढाउनले प्रारम्भिक I²t मान बढाउँछ, जसले छोटो-सर्किट भित्र देरी लगाउँछ। यो देरीले वास्तविक छोटो-सर्किट धारा बढ्न लाई देखाउँछ, जसले अंततः टुक्रा विफलता ल्याउँछ।

​II. समाधान: महत्वपूर्ण तकनीकी प्रगति र नवीन डिझाइन​

​2.1 काम तथ्याङ्क​
यो समाधान आर्क ट्रिगरलाई मुख्य संवेदन र ट्रिगर एकाइको रूपमा प्रयोग गर्दछ। यसको संरचना मुख्यतया दुई ताम्र प्लेटहरू, आन्तरिक सिल्वर फ्युज तत्व (विशेष रूपमा डिझाइन गरिएको संकुचनहरू सहित), भर्ने सामग्री, र आवरण सहित छ। टुक्रा विभाजन प्रक्रिया यस प्रकार छ:

1. ​आर्किङ:​​ छोटो-सर्किट धारा भित्र, फ्युज तत्वको संकुचन तेजी सञ्चालन गर्दछ र आर्क उत्पन्न गर्दछ, जसले आरम्भिक आर्क वोल्टेज उत्पन्न गर्दछ।
2. ​ट्रिगरिङ:​​ यो आर्क वोल्टेज तेजी सञ्चालन गरेर समान्तर विस्फोटी विभाजक (इलेक्ट्रिक डिटोनेटर) ज्वलाउँदछ।
3. ​विद्युत धारा विनिमय:​​ विभाजक विस्फोट गर्दछ, जसले उच्च प्रतिरोध रास्ता बनाउँदछ, छोटो-सर्किट धारालाई समान्तर आर्क-निरोधी फ्युज शाखामा विनिमय गर्न बाध्य गर्दछ।
4. ​टुक्रा विभाजन:​​ आर्क-निरोधी फ्युज आर्क उत्पन्न गर्दछ, जसले अत्यधिक उच्च आर्क वोल्टेज उत्पन्न गर्दछ जसले विद्युत धारालाई शून्य गर्न बाध्य गर्दछ, तेजी सञ्चालन विद्युत धारा सीमित टुक्रा विभाजन गर्न।

​2.2 मुख्य नवीनता: उच्च संकुचन धारा घनत्व डिझाइन​
ट्रिगर धारा मान (I₁) टुक्रा सफलतालाई निर्धारण गर्ने एक महत्वपूर्ण परामिति छ, जुन 8-15kAको अनुकूल रेंजमा रहनुपर्छ। आर्क-प्रेरित डिझाइनका लागि, निर्धारित धारा ट्रिगर धारासँग मजबूत रूपमा सम्बन्धित छ।

यो समाधानको मुख्य प्रगति छ: संकुचन धारा घनत्वलाई ठूलो र बढाउने छ। थ्योरिटिकल निकासीद्वारा:
• ट्रिगर धारा मान I₁ ∝ (प्रारम्भिक I²t * di/dt)^(1/3)
• प्रारम्भिक I²t मान ∝ (संकुचन क्षेत्रफल (S))²

निष्कर्ष: एउटै निर्धारित धारा र छोटो-सर्किट परिस्थितिमा, उच्च संकुचन धारा घनत्वलाई छोटो संकुचन क्षेत्रफल (S) आवश्यक छ, जसले प्रारम्भिक I²t मान घटाउँछ। यो अत्यधिक उच्च छोटो-सर्किट धारामा पनि तेजी सञ्चालन निश्चित गर्दछ, विश्वसनीय टुक्रा विभाजन गर्न। यो समाधानको डिझाइन लक्ष्य यो मापदण्डलाई वर्तमान उत्पाद लेवल ~1000 A/mm² बाट 3000 A/mm² भित्र बढाउन छ।

​2.3 संरचनात्मक अनुकूलन र सिमुलेशन प्रमाणीकरण​
• ​सिमुलेशन साधन:​​ ANSYS 11.0 सॉफ्टवेयर APDL भाषामा आधारित पैरामेट्रिक मॉडलिङ गरियो, जसले फ्युज तत्वको प्रतिरोध तथा प्रारम्भिक I²t प्रक्रियाको सिमुलेशन गर्न सहायता गर्दछ।
• ​फ्युज तत्व संरचना चयन:​​ परम्परागत वृत्ताकार छेद डिझाइनलाई त्याग गरी आयताकार छेद संरचना चयन गरियो। यो संरचना एउटै आयतनमा गैर-संकुचन क्षेत्रहरूमा धारा वहन शेयर अधिकतम गर्दछ, निम्न प्रतिरोध र उच्च धारा वहन क्षमता प्राप्त गर्दछ, धारा वहन क्षमता र गति बीचको विरोधाभास समाधान गर्दछ।
• ​पैरामेटर अनुकूलन:​​ संकुचन चौडाई (b), छेद चौडाई (c), अन्तराल (d), र मोटाई (h) जस्ता महत्वपूर्ण पैरामेटरहरू बहु-आयामी सिमुलेशन द्वारा अनुकूलित गरिए। न्यूनतम प्रतिरोधको अनुकूल समाधान खोजी गयो, जसले निर्माण योग्यता (जस्तै, तत्वको टुक्रा वा विकृति रोक्न) निश्चित गर्दछ।

अनुकूलन नतिजा: अन्तिम डिझाइनले 15.2 μΩको फ्युज तत्व प्रतिरोध र 0.6 mm²को संकुचन क्षेत्रफल प्राप्त गर्यो, 40 kA टुक्रा विभाजन क्षमताको आवश्यकतालाई पूरा गर्दछ।

​III. प्रदर्शन प्रमाणीकरण र परीक्षण नतिजाहरू​

​3.1 ताप उत्थान परीक्षण​
• ​परीक्षण शर्तहरू:​​ 2000 A AC धारा लगाइ थालियो लगातार सञ्चालन गरियो।
• ​परीक्षण नतिजाहरू:​​
o मापित ठण्डो प्रतिरोध 15.0 μΩ थियो, जुन सिमुलेशन मान (15.2 μΩ)को साथ उच्च अनुकूल छ, मॉडलको योग्यता प्रमाणित गर्दछ।
o महत्वपूर्ण भागहरूमा ताप उत्थान मानकहरूमा उत्तीर्ण छ (संकुचनमा 85 K, अन्तिम भागमा लगभग 47 K)।
o धारा वहन क्षमता 2000 A निर्धारित धारा प्रमाणित गर्यो। गणना गरिएको संकुचन धारा घनत्व 3300 A/mm² पुग्यो, जसले समान घरेलू र अन्तर्राष्ट्रिय उत्पादहरूलाई दूर छोड्यो।

​3.2 छोटो-सर्किट ट्रिगर परीक्षण​
• ​परीक्षण शर्तहरू:​​ 40 kA निर्धारित सममित छोटो-सर्किट धारा उत्पन्न गर्ने लागि एक सिमुलेटेड सर्किट सेट गरियो।
• ​परीक्षण नतिजाहरू:​​
o मापित ट्रिगर धारा मान 15.1 kA थियो, जुन सिमुलेशन अनुमानित मान (15 kA)को साथ उच्च अनुकूल छ र 8-15 kAको अनुकूल रेंजमा छ।
o उत्पन्न आर्क वोल्टेज 50 V पुग्यो, जसले माइक्रोसेकेन्डमा इलेक्ट्रिक डिटोनेटर ज्वलाउन योग्य छ, तेजी र विश्वसनीय सञ्चालन देखाउँछ।

​IV. निष्कर्ष र लाभ​

यो समाधान सफलतापूर्वक उच्च प्रदर्शन आर्क-प्रेरित फ्युज विकास गर्यो। मुख्य निष्कर्ष र लाभहरू यस प्रकार छन्:

1. ​मौलिक प्रगति:​​ नवीन आयताकार छेद फ्युज तत्व डिझाइन र पैरामेटर अनुकूलन द्वारा, आर्क-प्रेरित फ्युजहरूमा धारा वहन क्षमता र सञ्चालन गति बीचको आन्तरिक विरोधाभास समाधान गरियो। संकुचन धारा घनत्वलाई उद्योग-नेतृत्वको स्तर 3300 A/mm² लाई पुगाइयो।
2. ​उच्च प्रदर्शन चिह्नहरू:​​ उत्पाद 10 kV वोल्टेज स्तरको लागि उपयुक्त छ, 2000 A निर्धारित धारा र 40 kA टुक्रा विभाजन क्षमता प्राप्त गर्यो, उच्च वोल्टेज र उच्च धारा औद्योगिक अनुप्रयोगहरूको आवश्यकता पूरा गर्दछ।
3. ​उच्च विश्वसनीयता:​​ शुद्ध यान्त्रिक आर्क-प्रेरित मेकनिज्म निष्क्रिय छ र नियंत्रण आवश्यक छैन, इलेक्ट्रोनिक घटकहरू र बाहिरी विद्युत शक्ति भर्ने आवश्यकता छैन। यसले मजबूत अवरोधक क्षमता र विश्वसनीय सञ्चालन देखाउँछ।
4. ​प्रमाणित तकनीक:​​ ANSYS-आधारित सिमुलेशन मॉडल मापित नतिजाहरूको साथ उच्च अनुकूल छ, उत्पाद डिझाइन र अनुकूलनको लागि योग्य र विश्वसनीय साधन र विधि प्रदान गर्दछ।